KR102521281B1 - Hybrid composite comprising metal-organic framework and two-dimensional metal carbide sheet and manufacturing method thereof - Google Patents

Hybrid composite comprising metal-organic framework and two-dimensional metal carbide sheet and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR102521281B1
KR102521281B1 KR1020200113942A KR20200113942A KR102521281B1 KR 102521281 B1 KR102521281 B1 KR 102521281B1 KR 1020200113942 A KR1020200113942 A KR 1020200113942A KR 20200113942 A KR20200113942 A KR 20200113942A KR 102521281 B1 KR102521281 B1 KR 102521281B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metal
hybrid composite
dimensional
metal carbide
carbide sheet
Prior art date
Application number
KR1020200113942A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20220032312A (en
Inventor
변세기
한성옥
김현욱
성영훈
김태우
최완욱
이학주
유정준
Original Assignee
한국에너지기술연구원
재단법인 파동에너지 극한제어 연구단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원, 재단법인 파동에너지 극한제어 연구단 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020200113942A priority Critical patent/KR102521281B1/en
Publication of KR20220032312A publication Critical patent/KR20220032312A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102521281B1 publication Critical patent/KR102521281B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07FACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
    • C07F15/00Compounds containing elements of Groups 8, 9, 10 or 18 of the Periodic System
    • C07F15/04Nickel compounds
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J27/00Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
    • B01J27/20Carbon compounds
    • B01J27/22Carbides
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • B01J31/16Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing coordination complexes
    • B01J31/1691Coordination polymers, e.g. metal-organic frameworks [MOF]
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/90Carbides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/364Composites as mixtures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/60Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of organic compounds
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K9/00Screening of apparatus or components against electric or magnetic fields
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

금속-유기 골격체(MOF) 및 2차원 금속 카바이드 시트를 포함하는 하이브리드 복합체가 개시된다. 상기 하이브리드 복합체는 높은 다공도 및 우수한 전기 전도도를 가지기 때문에 이를 슈퍼커패시터 또는 이차전지 등의 전극에 사용 시 상기 소자의 에너지밀도 및 출력특성 등을 향상시킬 수 있다.A hybrid composite comprising a metal-organic framework (MOF) and a two-dimensional metal carbide sheet is disclosed. Since the hybrid composite has high porosity and excellent electrical conductivity, when used in an electrode such as a supercapacitor or a secondary battery, the energy density and output characteristics of the device can be improved.

Description

금속-유기 골격체 및 2차원 금속카바이드 시트를 포함하는 하이브리드 복합체 및 이의 제조방법{HYBRID COMPOSITE COMPRISING METAL-ORGANIC FRAMEWORK AND TWO-DIMENSIONAL METAL CARBIDE SHEET AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}A hybrid composite comprising a metal-organic skeleton and a two-dimensional metal carbide sheet and a manufacturing method thereof

본 발명은 금속-유기 골격체(MOF) 및 2차원 금속 카바이드 시트를 포함하는 하이브리드 복합체, 특히 모바일 IT기기, 전기자동차(EV), 에너지저장장치(ESS)용 배터리의 양극 또는 음극 소재, 촉매 및 전자파 차폐 소재로 사용될 수 잇는 하이브리드 복합체에 관한 것이다.The present invention is a hybrid composite comprising a metal-organic framework (MOF) and a two-dimensional metal carbide sheet, particularly a cathode or anode material for a battery for mobile IT devices, electric vehicles (EVs), and energy storage devices (ESS), catalysts and It relates to a hybrid composite that can be used as an electromagnetic wave shielding material.

개선된 기능의 방대한 배열을 갖는 20,000개 이상의 금속-유기 골격체(Metal-Organic Frameworks, MOF)의 발견에 기인하여, 다양한 금속 노드(metal nodes) 및 유기 연결체(organic linkers)와 같은 형성 블록들(building block)의 풍부한 종류에 의해 지난 수십 년 동안 수많은 MOF 합성에 대한 연구가 이어졌다. 이와 관련하여, 상기 MOF의 기본 합성 프로토콜은 금속 노드 및 유기 연결체와 같은 형성 블록들의 자기조립(selfassembly)에 의한 것으로서 비교적 간단한 합성 방법을 가진다.Due to the discovery of more than 20,000 Metal-Organic Frameworks (MOFs) with a vast array of advanced functions, building blocks such as various metal nodes and organic linkers Numerous studies on the synthesis of MOFs have been conducted over the past decades by a rich variety of building blocks. In this regard, the basic synthesis protocol of the MOF is by self-assembly of building blocks such as metal nodes and organic interconnects, and has a relatively simple synthesis method.

한편, 상기 MOF의 경우 다양한 크기의 마이크로 포어(micropore)와 메조 포어(mesopore)를 가지고 있으며 비표면적이 매우 넓어서 기체저장체로서 주로 활용되어져 왔다. 또한, MOF에 포함되는 금속 전구체와 유기 리간드의 조합이 매우 다양하여 수천 가지의 결정구조가 데이터베이스에 등록되어 있으며, 다양한 작용기 (functional group) 또한 포함될 수 있기 때문에 다양한 산업분야에서 유망한 소재물질로서 각광받고 있다. 다만, 전기화학적인 측면에서는 MOF 자체가 가지는 낮은 전도성으로 인하여 그 활용도가 떨어지고 있으며, 이에 전도성을 가지는 MOF를 합성하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.On the other hand, in the case of the MOF, it has micropores and mesopores of various sizes and has a very wide specific surface area, so it has been mainly used as a gas storage body. In addition, since the combination of metal precursors and organic ligands included in MOF is very diverse, thousands of crystal structures are registered in the database, and since various functional groups can also be included, it is spotlighted as a promising material in various industrial fields. there is. However, from the electrochemical point of view, its utilization is declining due to the low conductivity of MOF itself, and thus, active research is being conducted to synthesize a MOF having conductivity.

한편, 슈퍼커패시터(Super-Capacitor)는 축전용량이 대단히 큰 커패시터로 울트라 커패시터(Ultra Capacitor) 또는 우리말로 초고용량 커패시터라고 한다. 학술적인 용어로는 기존의 정전기식(electrostatic) 또는 전해식(electrolytic)과 구분해 전기화학식 커패시터(electrochemical capacitor)라고 불린다. 슈퍼커패시터는 화학 반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용한다. 이에 따라 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 보조 배터리나 배터리 대체용으로 사용될 수 있는 차세대 에너지저장장치로 각광받고 있다.On the other hand, a super-capacitor is a capacitor with a very large capacitance, and is called an ultra-capacitor or ultra-high-capacitance capacitor in Korean. In academic terms, it is called an electrochemical capacitor, distinguishing it from the existing electrostatic or electrolytic capacitor. Supercapacitors, unlike batteries that use chemical reactions, use simple ion movement to the interface between electrodes and electrolytes or charge by surface chemical reactions. Accordingly, it is attracting attention as a next-generation energy storage device that can be used as an auxiliary battery or a battery replacement because of its rapid charge and discharge capability, high charge and discharge efficiency, and semi-permanent cycle life characteristics.

슈퍼커패시터는 1980년대부터 상용화되기 시작해 개발의 역사는 비교적 짧지만 전통적으로 사용되어 왔던 활성탄을 포함한 금속산화물, 전도성고분자 등의 신규 전극재료와 비대칭 전극을 사용하는 하이브리드형 제품디자인 기술의 개발로 그 발전 속도가 매우 빠르다. 최근에 발표된 제품은 에너지 밀도가 Ni-MH 배터리를 넘어서는 것도 있어 일본에서는 이러한 비약적인 기술의 발전을 ‘축전혁명’이라 일컫고 있다.Supercapacitors have been commercialized since the 1980s, and their development history is relatively short, but they have developed through the development of hybrid product design technology that uses asymmetric electrodes and new electrode materials such as metal oxides and conductive polymers that have been traditionally used. The speed is very fast. Recently announced products have energy densities that exceed those of Ni-MH batteries, and in Japan, this rapid development of technology is referred to as the “storage revolution.”

이러한 차세대 에너지 저장장치인 슈퍼커패시터는 대용량의 전기를 빠르게 저장하고 꺼내어 사용할 수 있고, 2차전지보다 100배 이상의 고출력이며 반영구적으로 사용이 가능해 휴대전화, 디지털카메라의 플래시, 하이브리드 자동차 등 응용분야가 다양하다. 즉, 슈퍼커패시터는 석유를 대체해 이산화탄소 배출이 없는 친환경 청정 대체에너지인 태양광, 풍력, 수소연료 전지 등의 신재생에너지 저장장치로 중요도를 갖는다.Supercapacitors, which are next-generation energy storage devices, can quickly store, take out, and use large amounts of electricity, have a high output that is 100 times higher than that of secondary batteries, and can be used semi-permanently. do. In other words, supercapacitors are important as renewable energy storage devices such as solar energy, wind power, and hydrogen fuel cells, which are eco-friendly and clean alternative energy that replaces petroleum and does not emit carbon dioxide.

그러나, 현재까지 개발된 슈퍼커패시터의 경우 탄소계 전극물질이 주로 전기 이중층에 에너지를 저장함으로 비교적 높은 출력 특성을 가지고 있으나 에너지 저장량이 낮은 단점이 있으며, 비표면적과 산화환원 반응을 동시에 이용하는 금속산화물계는 높은 축전용량을 나타내는 장점이 있으나 소재가 비싸 대량 생산에 있어서 사용화가 어렵다는 단점을 갖는 등 많은 문제점들을 가지고 있다. 따라서, 상기 슈퍼커패시터의 에너지 밀도 및 출력밀도를 향상시키기 위하여 저렴하며 높은 다공도 및 전기 전도도를 가진 전극의 개발이 시급한 것이 현실이다.However, in the case of supercapacitors developed so far, carbon-based electrode materials mainly store energy in the electric double layer, so they have relatively high output characteristics, but have a low energy storage capacity, and metal oxide-based supercapacitors using specific surface area and redox reaction at the same time. has the advantage of exhibiting a high capacitance, but has many problems, such as the disadvantage of being difficult to use in mass production due to the high cost of materials. Therefore, in order to improve the energy density and power density of the supercapacitor, it is urgent to develop inexpensive electrodes with high porosity and electrical conductivity.

이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 연구하던 중, 복수의 금속-유기 골격체(MOF) 및 복수의 2차원 금속카바이드 시트를 랜덤하게 혼합한 하이브리드 복합체를 제조하였으며, 이를 슈퍼커패시터 또는 이차전지의 전극으로 적용하게 되면 상기 하이브리드 복합체가 가지는 특유의 높은 다공도 및 전기 전도도 특성으로 인해 슈퍼커패시터 또는 이차전지의 성능이 향상될 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다. 한편, 상기 하이브리드 복합체는 슈퍼커패시터 또는 이차전지 이외에도 물정화용 촉매, 항암제, 면역결핍 바이러스 치료제, 곰팡이 및 박테리아 감염 치료제, 말라리아 치료제, 각종 약물전달 물질, 광촉매, 센서, 항공우주 물질 등 다양한 분야에 있어서 적용이 가능한 바, 상업적으로 매우 유용한 물질로서 사용될 수 있다.Accordingly, the inventors of the present invention prepared a hybrid composite in which a plurality of metal-organic frameworks (MOFs) and a plurality of two-dimensional metal carbide sheets were randomly mixed while researching to solve the above problems, which was used as a supercapacitor or When applied as an electrode of a secondary battery, the present invention was completed by confirming that the performance of a supercapacitor or secondary battery could be improved due to the characteristic high porosity and electrical conductivity characteristics of the hybrid composite. On the other hand, the hybrid composite is applied in various fields such as catalysts for water purification, anticancer drugs, immunodeficiency virus treatments, fungal and bacterial infection treatments, malaria treatments, various drug delivery materials, photocatalysts, sensors, and aerospace materials in addition to supercapacitors or secondary batteries. As this is possible, it can be used as a commercially very useful material.

또한 기존 MOF전극 소재는 800도 이상의 고온으로 탄화하여 금속산화물/탄소 소재를 제조하고 이를 리튬이차전지 같은 에너지저장소재로 활용하고 있으나, 본 발명은 150도 미만의 공정에서 합성한 MOF 소재와 2차원 금속 카바이드 소재와의 초음파 분산법을 이용한 상온에서 제조 가능한 방법을 제공할 수 있다.In addition, conventional MOF electrode materials are carbonized at a high temperature of 800 degrees or more to produce metal oxide / carbon materials and used as energy storage materials such as lithium secondary batteries, but the present invention is a MOF material synthesized in a process of less than 150 degrees and a two-dimensional It is possible to provide a manufacturing method at room temperature using an ultrasonic dispersion method with a metal carbide material.

본 발명은 전술한 문제를 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 일 실시예는 금속-유기 골격체(MOF) 및 2차원 금속카바이드 시트를 포함하는 하이브리드 복합체를 제공한다.The present invention has been made to solve the above problems, and one embodiment of the present invention provides a hybrid composite including a metal-organic framework (MOF) and a two-dimensional metal carbide sheet.

또한, 본 발명의 다른 일 실시에는 상기 하이브리드 복합체의 제조방법을 제공한다.In addition, another embodiment of the present invention provides a method for preparing the hybrid composite.

또한, 본 발명의 다른 일 실시에는 상기 하이브리드 복합체를 포함하는 전극을 제공한다.In addition, another embodiment of the present invention provides an electrode including the hybrid composite.

또한, 본 발명의 다른 일 실시에는 상기 하이브리드 복합체를 포함하는 촉매를 제공한다.In addition, another embodiment of the present invention provides a catalyst comprising the hybrid composite.

또한, 본 발명의 다른 일 실시에는 상기 하이브리드 복합체를 포함하는 전자파 차폐 소재를 제공한다.In addition, another embodiment of the present invention provides an electromagnetic wave shielding material including the hybrid composite.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 한정되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned technical problem, and other technical problems not mentioned are clearly understood by those skilled in the art from the description below. It could be.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면은, As a technical means for achieving the above-described technical problem, one aspect of the present invention,

금속-유기 골격체(MOF); 및 2차원 금속카바이드 시트;를 포함하고, 상기 금속-유기 골격체와 2차원 금속카바이드 시트가 랜덤하게 혼합되어 3차원 다공성 구조를 갖는 것인 하이브리드 복합체를 제공한다.metal-organic frameworks (MOFs); and a two-dimensional metal carbide sheet, wherein the metal-organic framework and the two-dimensional metal carbide sheet are randomly mixed to provide a hybrid composite having a three-dimensional porous structure.

상기 2차원 금속카바이드는 하기 화학식 1 내지 화학식 6으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 만족하는 멕신(Mxene) 나노시트인 것을 특징으로 할 수 있다.The two-dimensional metal carbide may be a Mxene nanosheet satisfying at least one selected from the group consisting of Formulas 1 to 6 below.

[화학식 1][Formula 1]

(M 또는 M')n+1Xn (M or M') n+1 X n

[화학식 2][Formula 2]

(M 또는 M")2M'mXm+1 (M or M") 2 M' m X m+1

[화학식 3][Formula 3]

(M'aM"b)n+1Xn (M' a M" b ) n+1 X n

[화학식 4][Formula 4]

M'1.33(M 또는 M")cXM' 1.33 (M or M") c X

[화학식 5][Formula 5]

(M 또는 M")4M'mXm+3 (M or M") 4 M' m X m+3

[화학식 6][Formula 6]

(M 또는 M')d+e+1XdX'e (M or M') d+e+1 X d X' e

상기 화학식 1 내지 화학식 6에서, M은 VIIB족, VIIIB족, IB족, IIB족 W 및 Y 중에서 선택되는 적어도 1종의 금속이고, M'는 IVB족, VB족, VIB족 및 Sc 중에서 선택되는 적어도 1종의 금속이고, M"는 M'와 동일한 그룹으로부터 선택되나 M'와 동일하지 않은 금속이고, X 및 X'는 C 또는 N 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하고, X'는 X와 상이하고, n은 1 내지 3의 정수이고, m은 1 또는 2 중에서 선택되고, a+b는 1이고, c는 0 또는 0.67이며, d+e는 1 내지 3의 정수일 수 있다.In Formula 1 to Formula 6, M is at least one metal selected from group VIIB, group VIIIB, group IB, group IIB W and Y, and M 'is selected from group IVB, group VB, group VIB and Sc At least one metal, M" is a metal selected from the same group as M' but not the same as M', X and X' include one or more selected from C or N, and X' is X and It is different, n is an integer from 1 to 3, m is selected from 1 or 2, a + b is 1, c is 0 or 0.67, and d + e may be an integer from 1 to 3.

상기 2차원 금속카바이드 시트는, Ti2C,(Ti0.5,Nb0.5)2C, V2C, Nb2C, Mo2C, Mo2N, (Ti0.5,Nb0.5)2C, Ti2N, W1.33C, Nb1.33C, Mo1.33C, Mo1.33Y0.67C, Ti3CN, Zr3C2, Hf3C2, Ti4N3, Nb4C3, Ta4C3, V4C3, (Mo,V)4C3, Mo4VC4 Mo2TiC2, Cr2TiC2, Mo2ScC2, Mo2Ti2C3, 및 Ti3C2 로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 멕신(MXene) 나노시트인 것을 특징으로 할 수 있다.The two-dimensional metal carbide sheet is Ti 2 C, (Ti 0.5 ,Nb 0.5 ) 2 C, V 2 C, Nb 2 C, Mo 2 C, Mo 2 N, (Ti 0.5 ,Nb 0.5 ) 2 C, Ti 2 N, W 1.33 C, Nb 1.33 C, Mo 1.33 C, Mo 1.33 Y 0.67 C, Ti 3 CN, Zr 3 C 2, Hf 3 C 2, Ti 4 N 3 , Nb 4 C 3 , Ta 4 C 3 , V 4 C 3 , (Mo,V) 4 C 3 , Mo 4 VC 4 Mo 2 TiC 2 , Cr 2 TiC 2 , Mo 2 ScC 2 , Mo 2 Ti 2 C 3 , and Ti 3 C 2 selected from the group consisting of It may be characterized in that it is a MXene nanosheet containing one or more types.

상기 금속-유기 골격체는 하기 화학식 7의 구조를 포함하는 것일 수 있다.The metal-organic framework may have a structure represented by Chemical Formula 7 below.

[화학식 7][Formula 7]

M-L-MM-L-M

상기 화학식 7에서, M은 금속이고, L은 유기 리간드로서 하기 화학식 8 내지 12의 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.In Formula 7, M is a metal, and L is an organic ligand and may include any one of the structures of Formulas 8 to 12 below.

[화학식 8][Formula 8]

Figure 112020094534810-pat00001
Figure 112020094534810-pat00001

상기 화학식 8에서, X1, X2. X4 및 X5는 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고, X1 및 X2는 서로 동일하고, X4 및 X5는 서로 동일하고, X1 및 X5는 서로 동일하거나 상이하며, X3, X6은 각각 독립적으로 수소, 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)일 수 있다.In Formula 8, X1, X2. X4 and X5 are each independently an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxy group (OH), X1 and X2 are the same, X4 and X5 are the same, X1 and X5 are the same as or different from each other, , X3, and X6 may each independently be hydrogen, an amine group (NH2), a carboxy group (COOH), or a hydroxyl group (OH).

[화학식 9][Formula 9]

Figure 112020094534810-pat00002
Figure 112020094534810-pat00002

상기 화학식 9에서, X1 내지 X10은 각각 독립적으로 수소, 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고, X1 및 X3은 서로 동일한 경우, X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X1 및 X3은 서로 상이한 경우, X1 및 X4는 서로 동일하고, X2 및 X3은 서로 동일하고, n은 0 내지 5의 정수일 수 있다.In Formula 9, X1 to X10 are each independently hydrogen, an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxyl group (OH), and when X1 and X3 are the same, X1 and X2 are the same as each other, and X3 and When X4 is equal to each other, X1 and X3 are different from each other, X1 and X4 are equal to each other, X2 and X3 are equal to each other, and n may be an integer from 0 to 5.

[화학식 10][Formula 10]

Figure 112020094534810-pat00003
Figure 112020094534810-pat00003

상기 화학식 10에서, X1 내지 X6은 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고, X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X5 및 X6은 서로 동일하고, X1, X3 및 X5는 서로 동일하거나 상이하고, Y1 내지 Y6은 각각 독립적으로 탄소 또는 질소일 수 있다.In Formula 10, X1 to X6 are each independently an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxyl group (OH), X1 and X2 are the same, X3 and X4 are the same, and X5 and X6 are are the same as each other, X1, X3 and X5 are the same as or different from each other, and Y1 to Y6 may each independently represent carbon or nitrogen.

[화학식 11][Formula 11]

Figure 112020094534810-pat00004
Figure 112020094534810-pat00004

상기 화학식 11에서, X1 내지 X4는 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고, X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X1 및 X3은 서로 동일하거나 상이하고, R1, R3, R4 및 R6은 각각 독립적으로 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알콕시, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 아미노알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알케닐, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알키닐, C3-C10 사이클로알킬, C6-C10 아릴 또는 C1-C10 알킬카보닐이고, R2, 및 R5는 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH), 히드록시기(OH), 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알콕시, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 아미노알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알케닐, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알키닐, C3-C10 사이클로알킬, C6-C10 아릴 또는 C1-C10 알킬카보닐일 수 있다.In Formula 11, X1 to X4 are each independently an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxy group (OH), X1 and X2 are the same, X3 and X4 are the same, and X1 and X3 are are the same as or different from each other, and R1, R3, R4 and R6 are each independently selected from straight or branched C1-C10 alkyl, straight or branched C1-C10 alkoxy, straight or branched C1-C10 aminoalkyl, straight or branched chain C1-C10 alkyl, Branched C2-C10 alkenyl, straight or branched C2-C10 alkynyl, C3-C10 cycloalkyl, C6-C10 aryl or C1-C10 alkylcarbonyl, R2 and R5 are each independently an amine group ( NH2), carboxy group (COOH), hydroxyl group (OH), straight or branched C1-C10 alkyl, straight or branched C1-C10 alkoxy, straight or branched C1-C10 aminoalkyl, straight or branched chain C2-C10 alkenyl, straight or branched C2-C10 alkynyl, C3-C10 cycloalkyl, C6-C10 aryl or C1-C10 alkylcarbonyl.

[화학식 12][Formula 12]

Figure 112020094534810-pat00005
Figure 112020094534810-pat00005

상기 화학식 12에서, R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알콕시, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 아미노알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알케닐, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알키닐, C3-C10 사이클로알킬, C6-C10 아릴 또는 C1-C10 알킬카보닐일 수 있다.In Formula 12, R1 to R4 are each independently hydrogen, straight-chain or branched-chain C1-C10 alkyl, straight-chain or branched-chain C1-C10 alkoxy, straight-chain or branched-chain C1-C10 aminoalkyl, straight or branched chain C2-C10 alkenyl, straight or branched C2-C10 alkynyl, C3-C10 cycloalkyl, C6-C10 aryl or C1-C10 alkylcarbonyl.

상기 M은 Ni, Cu, Fe, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Rh, Pd, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Uub 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함할 수 있다.M is Ni, Cu, Fe, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Rh, Pd, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, Re , Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Uub, and combinations thereof.

상기 하이브리드 복합체의 BET 비표면적이 30 m2/g 내지 1000 m2/g인 것을 특징으로 할 수 있다.The hybrid composite may have a BET specific surface area of 30 m 2 /g to 1000 m 2 /g.

상기 금속카바이드 시트는 두께가 1 내지 20 nm이고, 면적이 100 nm2 내지 100 μm2인 것일 수 있다.The metal carbide sheet may have a thickness of 1 to 20 nm and an area of 100 nm 2 to 100 μm 2 .

상기 금속-유기 골격체 100 중량부 대비 상기 금속카바이드 시트의 함량은 20 중량부 내지 70 중량부인 것일 수 있다.The amount of the metal carbide sheet relative to 100 parts by weight of the metal-organic framework may be 20 parts by weight to 70 parts by weight.

상기 하이브리드 복합체의 총 기공부피가 0.1 cm3/g 내지 1.0 cm3/g인 것을 특징으로 할 수 있다.The hybrid composite may have a total pore volume of 0.1 cm3/g to 1.0 cm3/g.

상기 하이브리드 복합체의 전기 전도도는 250 S·m-1 이상인 것일 수 있다.Electrical conductivity of the hybrid composite may be greater than or equal to 250 S·m −1 .

또한 본 발명의 다른 일 측면은, 유기 리간드 및 금속 전구체를 혼합시키는 단계; 및 상기 혼합물에 2차원 금속카바이드 시트를 혼합시키는 단계를 포함하고; 상기 유기 리간드에 포함된 치환기가 상기 금속 전구체와 각각 배위결합을 형성하는 것인, 상기 하이브리드 복합체의 제조방법을 제공한다.In another aspect of the present invention, mixing the organic ligand and the metal precursor; and mixing a two-dimensional metal carbide sheet with the mixture; It provides a method for preparing the hybrid complex, wherein the substituent included in the organic ligand forms a coordination bond with the metal precursor, respectively.

상기 유기 리간드 및 금속 전구체를 혼합시키는 단계에 의해 얻은 금속-유기 골격체(MOF)는 2차원 형상이고, 상기 2차원 금속카바이드 시트를 혼합시키는 단계 이전에, 상기 금속-유기 골격체를 용매 상에서 초음파 분산시키는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.The metal-organic framework (MOF) obtained by mixing the organic ligand and the metal precursor has a two-dimensional shape, and prior to mixing the two-dimensional metal carbide sheet, the metal-organic framework is ultrasonicated in a solvent. dispersing; may further include.

상기 2차원 금속카바이드 시트를 혼합시키는 단계 이전에, 상기 2차원 금속카바이드 시트를 용매 상에서 초음파 분산시키는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.Prior to the step of mixing the two-dimensional metal carbide sheet, ultrasonically dispersing the two-dimensional metal carbide sheet in a solvent; may further include.

상기 혼합물에 2차원 금속카바이드 시트를 혼합하는 단계는, 초음파 분산에 의해 진행되는 것을 특징으로 할 수 있다.Mixing the two-dimensional metal carbide sheet with the mixture may be performed by ultrasonic dispersion.

상기 초음파 분산은 30분 내지 240분 이하의 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.The ultrasonic dispersion may be characterized in that it is performed for a time of 30 minutes to 240 minutes or less.

또한 본 발명의 다른 일 측면은, 상기 하이브리드 복합체를 포함하는 전극을 제공한다.Another aspect of the present invention provides an electrode comprising the hybrid composite.

또한 본 발명의 다른 일 측면은, 상기 하이브리드 복합체를 포함하는 촉매를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a catalyst comprising the hybrid composite.

또한 본 발명의 다른 일 측면은, 상기 하이브리드 복합체를 포함하는 전자파 차폐 소재를 제공한다.Another aspect of the present invention provides an electromagnetic wave shielding material including the hybrid composite.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 하이브리드 복합체는 금속-유기 골격체(MOF)가 가지는 특유의 다공도 및 금속카바이드 시트가 가지는 특유의 전기 전도도 및 다공도를 모두 포함하며, 상기 금속-유기 골격체(MOF) 및 상기 금속카바이드 시트가 랜덤하게 혼합되며 생성되는 3차원의 기공 또한 포함하기 때문에 매우 높은 다공도를 가지는 것일 수 있다. 따라서, 상기 하이브리드 복합체는 높은 다공도 및 우수한 전기 전도도를 가지기 때문에 이를 슈퍼커패시터 또는 이차전지 등의 전극에 사용 시 상기 소자의 에너지밀도 및 출력특성 등을 향상시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the hybrid composite includes both the characteristic electrical conductivity and porosity of the metal-organic framework (MOF) and the characteristic electrical conductivity and porosity of the metal carbide sheet, and the metal-organic framework ( MOF) and the metal carbide sheet may have a very high porosity because they also include three-dimensional pores generated by randomly mixing. Therefore, since the hybrid composite has high porosity and excellent electrical conductivity, when used in an electrode such as a supercapacitor or a secondary battery, the energy density and output characteristics of the device can be improved.

또한, 상기 하이브리드 복합체는 150도 미만의 공정에서 초음파 분산법을 이용한 제조방법을 이용하기 때문에 상기 하이브리드 복합체의 제조가 비교적 용이하고, 에너지를 절약하고, 따라서 친환경적이다. 또한 제조방법이 간단하여 대량생산이 가능하므로 산업적으로 크게 유용한 것일 수 있다.In addition, since the hybrid composite uses a manufacturing method using an ultrasonic dispersion method in a process of less than 150 degrees, the preparation of the hybrid composite is relatively easy, saves energy, and is therefore environmentally friendly. In addition, since the manufacturing method is simple and mass production is possible, it may be industrially very useful.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the above effects, and should be understood to include all effects that can be inferred from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 Mxene 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속카바이드 Ti3C2Tx 시트 표면 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속카바이드 Ti3C2Tx 시트 저배율 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속-유기 골격체 Ni3(HITP)2 표면 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, Ni3(HITP)2/Ti3C2Tx 3차원 복합체 제조 모식도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 분산법 및 진공여과 공정을 이용한 Ni3(HITP)2/Ti3C2Tx 복합체 제조방법을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 ZIF-8/Ti3C2Tx 합성 제조방법을 간략히 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 Ni3(HITP)2/Ti3C2Tx 하이브리드 복합체 표면 SEM 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 ZIF-8/Ti3C2Tx 복합체 단면 SEM 사진이다
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 Ni3(HITP)2의 BET N2 흡착 등온선을 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 Ti3C2Tx MXene BET N2 흡착 등온선을 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 ZIF-8/Ti3C2Tx 복합체 BET N2 흡착 등온선을 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 Ni3(HITP)2/Ti3C2Tx 복합체의 N2 흡착 등온선을 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 Ti3C2Tx MXene BET N2 흡착 등온선을 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 Ni3(HITP)2, Ti3C2Tx, Ni3(HITP)2/Ti3C2Tx 각 시편의 XRD 결과를 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 Ni3(HITP)2, Ti3C2Tx 또는 Ni3(HITP)2/Ti3C2Tx 전극의 전기화학적 평가를 위해 리튬 반쪽 전지 (half-cell)를 조립하고, 이의 50 mA/g의 C-rate로 0.0~3.0 V (vs. Li+/Li)의 전압 범위에서 초기 사이클의 충/방전 곡선을 나타낸 것이다.
1 is a schematic diagram showing a two-dimensional Mxene structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a SEM picture of the surface of a metal carbide Ti 3 C 2 T x sheet prepared according to an embodiment of the present invention.
3 is a low-magnification SEM photograph of a metal carbide Ti 3 C 2 T x sheet prepared according to an embodiment of the present invention.
4 is a SEM image of the surface of the metal-organic framework Ni 3 (HITP) 2 prepared according to an embodiment of the present invention.
5 is a schematic view of manufacturing a Ni 3 (HITP) 2 /Ti 3 C 2 T x 3-dimensional composite according to an embodiment of the present invention.
6 illustrates a method for manufacturing a Ni 3 (HITP) 2 /Ti 3 C 2 T x composite using an ultrasonic dispersion method and a vacuum filtration process according to an embodiment of the present invention.
7 schematically illustrates a ZIF-8/Ti 3 C 2 T x synthesis manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
8 is a SEM image of the surface of the Ni 3 (HITP) 2 /Ti 3 C 2 T x hybrid composite synthesized according to an embodiment of the present invention.
9 is a cross-sectional SEM image of a ZIF-8/Ti 3 C 2 T x composite synthesized according to an embodiment of the present invention.
10 shows a BET N2 adsorption isotherm of Ni 3 (HITP) 2 prepared according to an embodiment of the present invention.
11 shows Ti 3 C 2 T x MXene BET N2 adsorption isotherms prepared according to an embodiment of the present invention.
12 shows the BET N2 adsorption isotherm of the ZIF-8/Ti3C2Tx composite prepared according to an embodiment of the present invention.
13 shows N2 adsorption isotherms of the Ni 3 (HITP) 2 /Ti 3 C 2 T x composite prepared according to an embodiment of the present invention.
14 shows Ti 3 C 2 T x MXene BET N2 adsorption isotherms prepared according to an embodiment of the present invention.
15 shows XRD results of each of Ni 3 (HITP) 2 , Ti 3 C 2 T x , and Ni 3 (HITP) 2 /Ti 3 C 2 T x samples prepared according to an embodiment of the present invention.
16 is a lithium half-cell for electrochemical evaluation of Ni 3 (HITP) 2 , Ti 3 C 2 T x or Ni 3 (HITP) 2 /Ti 3 C 2 T x electrodes prepared according to an embodiment of the present invention. (half-cell) is assembled, and the charge/discharge curve of the initial cycle is shown in the voltage range of 0.0 to 3.0 V (vs. Li + /Li) at a C-rate of 50 mA/g.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. However, the present invention can be implemented in many different forms, and the present invention is not limited by the embodiments described herein, and the present invention is only defined by the claims to be described later.

덧붙여, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 ‘포함’한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.In addition, terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the entire specification of the present invention, 'including' a certain element means that other elements may be further included, rather than excluding other elements unless otherwise stated.

본원의 제 1 측면은,The first aspect of the present application is,

금속-유기 골격체(MOF); 및 2차원 금속카바이드 시트;를 포함하고, 상기 금속-유기 골격체와 2차원 금속카바이드 시트가 랜덤하게 혼합되어 3차원 다공성 구조를 갖는 것인 하이브리드 복합체를 제공한다.metal-organic frameworks (MOFs); and a two-dimensional metal carbide sheet, wherein the metal-organic framework and the two-dimensional metal carbide sheet are randomly mixed to provide a hybrid composite having a three-dimensional porous structure.

이하, 본원의 제 1 측면에 따른 하이브리드 복합체에 대하여 상세히 설명한다. Hereinafter, the hybrid composite according to the first aspect of the present application will be described in detail.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하이브리드 복합체는 금속-유기 골격체(MOF) 및 금속카바이드 시트를 포함한다. 따라서, 상기 하이브리드 복합체는 금속-유기 골격체(MOF)가 가지는 특유의 다공도 및 금속카바이드 시트가 가지는 특유의 전기 전도도 특성 및 다공도를 모두 포함하며, 상기 금속-유기 골격체(MOF) 및 상기 금속카바이드 시트가 랜덤하게 혼합되며 생성되는 3차원의 기공 또한 포함하기 때문에 매우 높은 다공도를 가지는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the hybrid composite includes a metal-organic framework (MOF) and a metal carbide sheet. Therefore, the hybrid composite includes both the unique electrical conductivity characteristics and porosity of the metal-organic framework (MOF) and the metal carbide sheet, and the metal-organic framework (MOF) and the metal carbide Since the sheet also includes three-dimensional pores generated by randomly mixing, it may have a very high porosity.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2차원 금속카바이드는 하기 화학식 1 내지 화학식 6으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 만족하는 멕신(Mxene) 나노시트인 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment of the present application, the two-dimensional metal carbide may be characterized in that it is a Mxene nanosheet satisfying at least one selected from the group consisting of Formulas 1 to 6 below.

[화학식 1][Formula 1]

(M 또는 M')n+1Xn (M or M') n+1 X n

[화학식 2][Formula 2]

(M 또는 M")2M'mXm+1 (M or M") 2 M' m X m+1

[화학식 3][Formula 3]

(M'aM"b)n+1Xn (M' a M" b ) n+1 X n

[화학식 4][Formula 4]

M'1.33(M 또는 M")cXM' 1.33 (M or M") c X

[화학식 5][Formula 5]

(M 또는 M")4M'mXm+3 (M or M") 4 M' m X m+3

[화학식 6][Formula 6]

(M 또는 M')d+e+1XdX'e (M or M') d+e+1 X d X' e

상기 화학식 1 내지 화학식 6에서, M은 VIIB족, VIIIB족, IB족, IIB족 W 및 Y 중에서 선택되는 적어도 1종의 금속이고, M'는 IVB족, VB족, VIB족 및 Sc 중에서 선택되는 적어도 1종의 금속이고, M"는 M'와 동일한 그룹으로부터 선택되나 M'와 동일하지 않은 금속이고, X 및 X'는 C 또는 N 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하고, X'는 X와 상이하고, n은 1 내지 3의 정수이고, m은 1 또는 2 중에서 선택되고, a+b는 1이고, c는 0 또는 0.67이며, d+e는 1 내지 3의 정수일 수 있다. 바람직하게는, 상기 2차원 금속카바이드 시트는, Ti2C,(Ti0.5,Nb0.5)2C, V2C, Nb2C, Mo2C, Mo2N, (Ti0.5,Nb0.5)2C, Ti2N, W1.33C, Nb1.33C, Mo1.33C, Mo1.33Y0.67C, Ti3CN, Zr3C2, Hf3C2, Ti4N3, Nb4C3, Ta4C3, V4C3, (Mo,V)4C3, Mo4VC4 Mo2TiC2, Cr2TiC2, Mo2ScC2, Mo2Ti2C3, 및 Ti3C2 로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 멕신(MXene) 나노시트인 것을 특징으로 할 수 있다. 도 1은 화학식 Mn+1Xn로 표시되는 2차원 결정체의 모식도를 나타낸 것이다. 도면에 도시된 바와 같이 금속원소인 M으로 이루어지는 격자 구조 내에 비금속 원소인 탄소가 배치되는 구조를 갖는다. In Formula 1 to Formula 6, M is at least one metal selected from group VIIB, group VIIIB, group IB, group IIB W and Y, and M 'is selected from group IVB, group VB, group VIB and Sc At least one metal, M" is a metal selected from the same group as M' but not the same as M', X and X' include one or more selected from C or N, and X' is X and are different, n is an integer from 1 to 3, m is selected from 1 or 2, a+b is 1, c is 0 or 0.67, and d+e may be an integer from 1 to 3. Preferably , The two-dimensional metal carbide sheet is Ti 2 C, (Ti 0.5 ,Nb 0.5 ) 2 C, V 2 C, Nb 2 C, Mo 2 C, Mo 2 N, (Ti 0.5 ,Nb 0.5 ) 2 C, Ti 2 N, W 1.33 C, Nb 1.33 C, Mo 1.33 C, Mo 1.33 Y 0.67 C, Ti 3 CN, Zr 3 C 2, Hf 3 C 2, Ti 4 N 3 , Nb 4 C 3 , Ta 4 C 3 , selected from the group consisting of V 4 C 3 , (Mo,V) 4 C 3 , Mo 4 VC 4 Mo 2 TiC 2 , Cr 2 TiC 2 , Mo 2 ScC 2 , Mo 2 Ti 2 C 3 , and Ti 3 C 2 1 is a schematic diagram of a two-dimensional crystal represented by the chemical formula M n + 1 X n . As shown in the figure, metal It has a structure in which carbon, a non-metal element, is arranged in a lattice structure composed of element M.

본원의 일 구현예에 있어서, 본원의 멕신 구조체는 MAX 상 구조체로부터 선택적으로, 비제한적으로 IIIA족, IVA족, 및 Cd 중에서 선택되는 적어도 1종의 금속인 A 원소를 제거하여 제조되는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the mexin structure of the present application may be prepared by removing element A, which is at least one metal selected from the MAX phase structure, selectively, but not limited to, group IIIA, group IVA, and Cd. .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속-유기 골격체는 하기 화학식 7의 구조를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the metal-organic framework may have a structure represented by Chemical Formula 7 below.

[화학식 7][Formula 7]

M-L-MM-L-M

상기 화학식 7에서, M은 금속이고, L은 유기 리간드이다.In Formula 7, M is a metal and L is an organic ligand.

한편, 상기 M으로 표시되는 금속은 Ni, Cu, Fe, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Rh, Pd, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Uub 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게 Ni 또는 Cu를 포함하는 것일 수 있다. 이와 관련하여, 상기 금속의 종류에 따라 상기 금속-유기 골격체(MOF)가 반도체적(semiconducting) 특성 또는 금속적(metalite) 특성을 가지는 것일 수 있다.Meanwhile, the metal represented by M is Ni, Cu, Fe, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Rh, Pd, Ag, Cd, Lu, Hf , Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Uub, and combinations thereof. It may be, and may preferably include Ni or Cu. In this regard, depending on the type of metal, the metal-organic framework (MOF) may have semiconducting properties or metalite properties.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1에서 L로 표시되는 유기 리간드는 하기 화학식 8 내지 12의 구조 중 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the organic ligand represented by L in Formula 1 may include any one of the structures of Formulas 8 to 12 below.

[화학식 8][Formula 8]

Figure 112020094534810-pat00006
Figure 112020094534810-pat00006

[화학식 9][Formula 9]

Figure 112020094534810-pat00007
Figure 112020094534810-pat00007

상기 화학식 9에서, X1 내지 X10은 각각 독립적으로 수소, 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고, X1 및 X3은 서로 동일한 경우, X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X1 및 X3은 서로 상이한 경우, X1 및 X4는 서로 동일하고, X2 및 X3은 서로 동일하고, n은 0 내지 5의 정수일 수 있다.In Formula 9, X1 to X10 are each independently hydrogen, an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxyl group (OH), and when X1 and X3 are the same, X1 and X2 are the same as each other, and X3 and When X4 is equal to each other, X1 and X3 are different from each other, X1 and X4 are equal to each other, X2 and X3 are equal to each other, and n may be an integer from 0 to 5.

[화학식 10][Formula 10]

Figure 112020094534810-pat00008
Figure 112020094534810-pat00008

상기 화학식 10에서, X1 내지 X6은 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고, X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X5 및 X6은 서로 동일하고, X1, X3 및 X5는 서로 동일하거나 상이하고, Y1 내지 Y6은 각각 독립적으로 탄소 또는 질소일 수 있다.In Formula 10, X1 to X6 are each independently an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxyl group (OH), X1 and X2 are the same, X3 and X4 are the same, and X5 and X6 are are the same as each other, X1, X3 and X5 are the same as or different from each other, and Y1 to Y6 may each independently represent carbon or nitrogen.

[화학식 11][Formula 11]

Figure 112020094534810-pat00009
Figure 112020094534810-pat00009

상기 화학식 11에서, X1 내지 X4는 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고, X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X1 및 X3은 서로 동일하거나 상이하고, R1, R3, R4 및 R6은 각각 독립적으로 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알콕시, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 아미노알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알케닐, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알키닐, C3-C10 사이클로알킬, C6-C10 아릴 또는 C1-C10 알킬카보닐이고, R2, 및 R5는 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH), 히드록시기(OH), 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알콕시, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 아미노알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알케닐, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알키닐, C3-C10 사이클로알킬, C6-C10 아릴 또는 C1-C10 알킬카보닐일 수 있다.In Formula 11, X1 to X4 are each independently an amine group (NH2), a carboxy group (COOH) or a hydroxy group (OH), X1 and X2 are the same, X3 and X4 are the same, and X1 and X3 are are the same as or different from each other, and R1, R3, R4 and R6 are each independently selected from straight or branched C1-C10 alkyl, straight or branched C1-C10 alkoxy, straight or branched C1-C10 aminoalkyl, straight or branched chain C1-C10 alkyl, Branched C2-C10 alkenyl, straight or branched C2-C10 alkynyl, C3-C10 cycloalkyl, C6-C10 aryl or C1-C10 alkylcarbonyl, R2 and R5 are each independently an amine group ( NH2), carboxy group (COOH), hydroxyl group (OH), straight or branched C1-C10 alkyl, straight or branched C1-C10 alkoxy, straight or branched C1-C10 aminoalkyl, straight or branched chain C2-C10 alkenyl, straight or branched C2-C10 alkynyl, C3-C10 cycloalkyl, C6-C10 aryl or C1-C10 alkylcarbonyl.

[화학식 12][Formula 12]

Figure 112020094534810-pat00010
Figure 112020094534810-pat00010

상기 화학식 12에서, R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 알콕시, 직쇄 또는 분지쇄의 C1-C10 아미노알킬, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알케닐, 직쇄 또는 분지쇄의 C2-C10 알키닐, C3-C10 사이클로알킬, C6-C10 아릴 또는 C1-C10 알킬카보닐일 수 있다.In Formula 12, R1 to R4 are each independently hydrogen, straight-chain or branched-chain C1-C10 alkyl, straight-chain or branched-chain C1-C10 alkoxy, straight-chain or branched-chain C1-C10 aminoalkyl, straight or branched chain C2-C10 alkenyl, straight or branched C2-C10 alkynyl, C3-C10 cycloalkyl, C6-C10 aryl or C1-C10 alkylcarbonyl.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 8 내지 12에서 치환기는 바람직하게 아민기(NH2)일 수 있으며, 더 바람직하게는 적어도 하나 이상의 오쏘-디아민기(ortho-diamine group)를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the substituent in Chemical Formulas 8 to 12 may preferably be an amine group (NH 2 ), and more preferably may include at least one ortho-diamine group. .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기 리간드는 상기 화학식 8 내지 12에 나타낸 바와 같이 아릴 코어 및 금속과 배위결합 가능한 치환기(또는 중심원소)를 포함하는 것일 수 있으며, 상기 유기 리간드에 포함된 치환기가 상기 금속과 각각 배위결합을 형성하는 것일 수 있다. 즉, 상기 화학식 8에 나타난 바와 같이, 유기 리간드의 오쏘 치환기들, 화학식 9 및 11의 X1 내지 X4, 화학식 10의 유기 리간드의 X1 내지 X6, 화학식 12의 환 구조에 포함된 질소원자가 금속과 각각 배위결합을 형성하는 것일 수 있다. 한편, 상기 금속-유기 골격체(MOF)는 상이한 제1 유기 리간드 및 제2 유기 리간드가 금속과 교차로 배위결합을 형성하는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 금속-유기 골격체는 제1 유기 리간드 및 제2 유기 리간드가 하나의 금속을 중심으로 양쪽에 각각 배위결합을 형성하고 있는 것일 수 있으며, 상기 구조를 반복단위로 가짐으로써 확장된 구조를 가지는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the organic ligand may include an aryl core and a substituent (or central element) capable of coordinating with the metal as shown in Chemical Formulas 8 to 12, and the substituent included in the organic ligand is It may be to form a coordinate bond with the metal, respectively. That is, as shown in Chemical Formula 8, the ortho substituents of the organic ligand, X1 to X4 of Chemical Formulas 9 and 11, X1 to X6 of the organic ligand of Chemical Formula 10, and the nitrogen atom included in the ring structure of Chemical Formula 12 coordinate with the metal, respectively. It may be to form a bond. Meanwhile, in the metal-organic framework (MOF), the first organic ligand and the second organic ligand may cross each other to form a coordination bond with the metal. In this case, the metal-organic framework may be one in which the first organic ligand and the second organic ligand form coordination bonds on both sides of one metal, respectively, and have the above structure as a repeating unit to have an extended structure may have

본원의 일 구현예에 있어서, 바람직하게는, 상기 유기 리간드는 치환 또는 비치환된 벤젠-헥사아민(benzene-hexamine), 치환 또는 비치환된 나프탈렌-헥사아민(naphthalene-hexamine), 치환 또는 비치환된 안트라센-헥사아민(anthracene-hexamine), 치환 또는 비치환된 테트라센-헥사아민(tetracene-hexamine), 치환 또는 비치환된 펜타센-헥사아민(pentacene-hexamine), 치환 또는 비치환된 페난트렌-헥사아민(phenanthrene-hexamine), 치환 또는 비치환된 파이렌-헥사아민(pyrene-hexamine), 치환 또는 비치환된 크리센-헥사아민(chrysene-hexamine), 치환 또는 비치환된 페릴렌-헥사아민(perylene-hexamine), 치환 또는 비치환된 플루오렌-헥사아민(fluorene-hexamine), 치환 또는 비치환된 코로넨-헥사아민(coronene-hexamine), 치환 또는 비치환된 오발렌-헥사아민(ovalene-hexamine) 등일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 유기 리간드는 하기 화합물 1 내지 6 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.In one embodiment of the present application, preferably, the organic ligand is substituted or unsubstituted benzene-hexamine, substituted or unsubstituted naphthalene-hexamine, substituted or unsubstituted substituted anthracene-hexamine, substituted or unsubstituted tetracene-hexamine, substituted or unsubstituted pentacene-hexamine, substituted or unsubstituted phenanthrene -Hexaamine (phenanthrene-hexamine), substituted or unsubstituted pyrene-hexamine, substituted or unsubstituted chrysene-hexamine, substituted or unsubstituted perylene-hexamine Amine (perylene-hexamine), substituted or unsubstituted fluorene-hexamine, substituted or unsubstituted coronene-hexaamine, substituted or unsubstituted ovalene-hexaamine ( ovalene-hexamine) and the like. More preferably, the organic ligand may be any one selected from compounds 1 to 6 below.

Figure 112020094534810-pat00011
Figure 112020094534810-pat00011

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하이브리드 복합체의 전기 전도도는 150 S·m-1 이상, 바람직하게는 250 S·m-1 이상, 더 바람직하게는 350 S·m-1 이상, 더욱 바람직하게는 400 S·m-1 이상, 보다 더 바람직하게는 500 S·m-1 이상, 보다 더욱 바람직하게는 600 S·m-1 이상인 것일 수 있다. 이때, 상기 하이브리드 복합체의 전기 전도도는 다결정 펠릿 형태 또는 다결정 필름 형태로 측정 가능한 것일 수 있다. 본원의 일 실시예에 따라 상기 하이브리드 복합체 펠릿의 전기 전도도는 150 S·m-1 이상, 바람직하게는 250 S·m-1 이상, 더 바람직하게는 350 S·m-1 이상, 더욱 바람직하게는 400 S·m-1 이상, 보다 더 바람직하게는 500 S·m-1 이상, 보다 더욱 바람직하게는 600 S·m-1 이상인 것일 수 있다. 또한, 상기 하이브리드 복합체 필름의 전기 전도도는 필름 평균 두께 500 nm 기준, 150 S·m-1 이상, 바람직하게는 250 S·m-1 이상, 더 바람직하게는 350 S·m-1 이상, 더욱 바람직하게는 400 S·m-1 이상, 보다 더 바람직하게는 500 S·m-1 이상, 보다 더욱 바람직하게는 600 S·m-1 이상인 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the electrical conductivity of the hybrid composite is 150 S·m -1 or more, preferably 250 S·m -1 or more, more preferably 350 S·m -1 or more, still more preferably It may be 400 S·m -1 or more, more preferably 500 S·m -1 or more, and even more preferably 600 S·m -1 or more. In this case, the electrical conductivity of the hybrid composite may be measurable in the form of a polycrystalline pellet or a polycrystalline film. According to an embodiment of the present application, the electrical conductivity of the hybrid composite pellet is 150 S·m -1 or more, preferably 250 S·m -1 or more, more preferably 350 S·m -1 or more, more preferably It may be 400 S·m -1 or more, more preferably 500 S·m -1 or more, and even more preferably 600 S·m -1 or more. In addition, the electric conductivity of the hybrid composite film is 150 S·m -1 or more, preferably 250 S·m -1 or more, more preferably 350 S·m -1 or more based on an average film thickness of 500 nm. It may be preferably 400 S·m -1 or more, more preferably 500 S·m -1 or more, and even more preferably 600 S·m -1 or more.

즉, 상기 금속-유기 골격체의 유기 리간드는 pi-back 본딩(bonding)을 가지기 때문에 높은 전기 전도도를 가지는 것일 수 있다. 한편, 상기 pi back 본딩은 전자가 한 원자의 원자 궤도에서 다른 원자 또는 리간드의 π* 안티-본딩 궤도(anti-bonding orbital)로 이동하는 화학 개념으로서, 구체적으로, 유기 리간드에 포함된 아릴기에 의해 상기 본딩이 형성되는 것일 수 있다. 또한 본 발명의 하이브리드 복합체는 전기 전도도가 매우 높은 금속카바이드(예컨대, Mxene 900 S/m-1)를 포함하고 있기 때문에, 모체인 금속-유기 골격체 단독인 경우 대비하여 매우 우수한 전기 전도도를 가질 수 있다.That is, since the organic ligand of the metal-organic framework has pi-back bonding, it may have high electrical conductivity. On the other hand, the pi back bonding is a chemical concept in which electrons move from an atomic orbital of one atom to a π* anti-bonding orbital of another atom or ligand, specifically, by an aryl group included in an organic ligand. The bonding may be formed. In addition, since the hybrid composite of the present invention includes metal carbide having very high electrical conductivity (eg, Mxene 900 S/m -1 ), it can have very good electrical conductivity compared to the case of the metal-organic framework alone. there is.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하이브리드 복합체는 복수의 2차원 금속카바이드 시트를 포함하는 것일 수 있다. 이때, 상기 금속카바이드 시트는 티타늄카바이드(titanium carbide), 알루미늄카바이드(aluminum carbide), 크롬카바이드(chromium carbide), 징크카바이드(zinc carbide), 구리카바이드(copper carbide), 마그네슘카바이드(magnesium carbide), 지르코늄카바이드(zirconium carbide), 몰리브데늄카바이드(molybdenum carbide), 바나듐카바이드(vanadium carbide), 니오븀카바이드(niobium carbide), 아이언카바이드(iron carbide), 망간카바이드(manganese carbide), 코발트카바이드(cobalt carbide), 니켈카바이드(nickel carbide), 탄탈륨카바이드(tantalum carbide) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속카바이드를 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게 티타늄카바이드(titanium carbide)를 포함하는 것일 수 있다. 이때, 상기 금속카바이드 시트는 구체적으로, 우선 벌크 형태의 층상형 결정구조를 가진 벌크 금속카바이드에 HF 등을 처리하여 각각의 금속카바이드 층이 벌어진 팽창된 금속카바이드를 수득하고, 초음파 처리(sonication)를 통해 스웰링(swelling)시켜 각각의 금속카바이드 층을 박리(exfoliated)시킴으로써 금속카바이드 시트를 수득하는 것에 의해 제조되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the hybrid composite may include a plurality of two-dimensional metal carbide sheets. At this time, the metal carbide sheet is titanium carbide, aluminum carbide, chromium carbide, zinc carbide, copper carbide, magnesium carbide, zirconium Zirconium carbide, molybdenum carbide, vanadium carbide, niobium carbide, iron carbide, manganese carbide, cobalt carbide, It may include metal carbide selected from the group consisting of nickel carbide, tantalum carbide, and combinations thereof, and may preferably include titanium carbide. At this time, the metal carbide sheet is specifically, first, by treating bulk metal carbide having a layered crystal structure in bulk form with HF, etc. to obtain expanded metal carbide in which each metal carbide layer is spread, and ultrasonic treatment (sonication) It may be manufactured by swelling (swelling) through and exfoliating (exfoliated) each metal carbide layer to obtain a metal carbide sheet.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속-유기 골격체는 유기 리간드의 종류에 따라 3차원 형태일 수 있으나, 2차원 시트의 형태일 수도 있으며, 이 경우 상기 금속-유기 골격체 시트는 두께가 0.1 nm 내지 50 nm, 바람직하게는 1 내지 30 nm일 수 있고, 면적이 1 nm2 내지 100 μm2, 바람직하게는 10 nm2 내지 50 μm2 인 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the metal-organic framework may be in a three-dimensional form depending on the type of organic ligand, but may also be in the form of a two-dimensional sheet. In this case, the metal-organic framework sheet has a thickness of 0.1 nm to 50 nm, preferably 1 to 30 nm, and may have an area of 1 nm 2 to 100 μm 2 , preferably 10 nm 2 to 50 μm 2 .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속카바이드 시트는 두께가 1 내지 20 nm, 바람직하게는 5 내지 15 nm 일 수 있고, 면적이 100 nm2 내지 100 μm2, 바람직하게는 100 nm2 내지 50 μm2 인 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the metal carbide sheet may have a thickness of 1 to 20 nm, preferably 5 to 15 nm, and an area of 100 nm 2 to 100 μm 2 , preferably 100 nm 2 to 50 μm. It could be 2 .

본원의 일 구현예예 있어서, 상기 결정성 리튬-금속 산화물 입자의 BET 비표면적이 20 m2/g 내지 1200 m2/g일 수 있으며, 바람직하게는 30 m2/g 내지 1000 m2/g, 더 바람직하게는 50 m2/g 내지 950 m2/g 인 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the BET specific surface area of the crystalline lithium-metal oxide particles may be 20 m 2 /g to 1200 m 2 /g, preferably 30 m 2 /g to 1000 m 2 /g, More preferably, it may be 50 m 2 /g to 950 m 2 /g.

본원의 일 구현예예 있어서, 상기 하이브리드 복합체는 다공성 구조를 갖는 것일 수 있으며, 구체적으로 마이크로 기공 및 메조 기공을 동시에 포함하는 것일 수 있다. 상기 하이브리드 복합체의 총 기공부피는 마이크로 기공부피 및 메조 기공부피의 합으로 정의되는 것일 수 있으며, 기타 기공부피가 추가로 포함되는 것일 수 있다. 상기 하이브리드 복합체의 총 기공부피는 0.05 cm3/g 이상, 바람직하게는 0.1 cm3/g 이상, 더 바람직하게는 0.25 cm3/g 이상, 더욱 바람직하게는 0.3 cm3/g 이상, 보다 더 바람직하게는 0.4 cm3/g 이상인 것일 수 있으며, 5.0 cm3/g 이하, 바람직하게는 4.0 cm3/g 이하, 더 바람직하게는 3.0 cm3/g 이하, 더욱 바람직하게는 2.0 cm3/g 이하, 보다 더 바람직하게는 1.0 cm3/g 이하인 것일 수 있다. 즉, 상기 하이브리드 복합체는 높은 BET 비표면적 및 총 기공부피를 가지기 때문에 이를 포함하는 하이브리드 복합체를 이차전지 또는 슈퍼커패시터와 같은 전기화학소자의 전극 활물질로 사용하게 되면 전해질의 흡장 및 탈장이 용이하여 상기 전기화학소자의 전기화학적 특성이 향상되는 것일 수 있다. 즉, 상기 하이브리드 복합체는 금속-유기 골격체(MOF)가 가지는 특유의 다공도 및 금속카바이드 시트가 가지는 특유의 다공도를 모두 포함하며, 상기 금속-유기 골격체(MOF) 및 상기 금속카바이드 시트가 랜덤하게 혼합되며 생성되는 3차원의 기공 또한 포함하기 때문에 매우 높은 다공도를 가지는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the hybrid composite may have a porous structure, and specifically may include both micropores and mesopores. The total pore volume of the hybrid composite may be defined as the sum of the micro pore volume and the meso pore volume, and may further include other pore volumes. The total pore volume of the hybrid composite is 0.05 cm 3 /g or more, preferably 0.1 cm 3 /g or more, more preferably 0.25 cm 3 /g or more, still more preferably 0.3 cm 3 /g or more, even more preferably It may be preferably 0.4 cm 3 /g or more, 5.0 cm 3 /g or less, preferably 4.0 cm 3 /g or less, more preferably 3.0 cm 3 /g or less, and more preferably 2.0 cm 3 /g or less. , and more preferably 1.0 cm 3 /g or less. That is, since the hybrid composite has a high BET specific surface area and total pore volume, when the hybrid composite including the hybrid composite is used as an electrode active material for an electrochemical device such as a secondary battery or a supercapacitor, intercalation and deintercalation of electrolyte are easy, Electrochemical properties of the chemical element may be improved. That is, the hybrid composite includes both the unique porosity of the metal-organic framework (MOF) and the unique porosity of the metal carbide sheet, and the metal-organic framework (MOF) and the metal carbide sheet are randomly It may have a very high porosity because it also includes three-dimensional pores generated by mixing.

본원의 일 구현예예 있어서, 상기 금속-유기 골격체 100 중량부 대비 상기 금속산화물 또는 금속카바이드 시트의 함량은 20 중량부 내지 70 중량부인 것일 수 있다. 상기 금속-유기 골격체 100 중량부 대비 상기 금속산화물 또는 금속카바이드 시트의 함량이 20 중량부 미만일 경우 전극으로 활용했을 때, 안전성이 감소하는 문제가 발생할 수 있으며, 70 중량부 초과일 경우 전극으로 활용했을 때 용량이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.In one embodiment of the present application, the content of the metal oxide or metal carbide sheet relative to 100 parts by weight of the metal-organic framework may be 20 parts by weight to 70 parts by weight. If the content of the metal oxide or metal carbide sheet relative to 100 parts by weight of the metal-organic framework is less than 20 parts by weight, safety may decrease when used as an electrode, and if it exceeds 70 parts by weight, it is used as an electrode. Doing so may cause problems with capacity reduction.

본원의 제 2 측면은,The second aspect of the present application is,

유기 리간드 및 금속 전구체를 혼합시키는 단계; 및 상기 혼합물에 2차원 금속카바이드 시트를 혼합시키는 단계를 포함하고; 상기 유기 리간드에 포함된 치환기가 상기 금속 전구체와 각각 배위결합을 형성하는 것인, 상기 하이브리드 복합체의 제조방법을 제공한다.mixing organic ligands and metal precursors; and mixing a two-dimensional metal carbide sheet with the mixture; It provides a method for preparing the hybrid complex, wherein the substituent included in the organic ligand forms a coordination bond with the metal precursor, respectively.

본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Although detailed descriptions of portions overlapping with those of the first aspect of the present application have been omitted, the contents described for the first aspect of the present application can be equally applied even if the description is omitted from the second aspect.

이하 본원의 제2 측면에 따른 하이브리드 복합체의 제조방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for preparing a hybrid composite according to the second aspect of the present application will be described in detail.

우선 본원의 일 구현예에 있어서, 유기 리간드 및 금속 전구체를 혼합시키는 단계;를 포함한다.First, in one embodiment of the present application, mixing the organic ligand and the metal precursor; includes.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유기 리간드 및 금속 전구체는 용매에서 혼합될 수 있다. 상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, IPA(isopropyl alcohol), EG(Ethylene Glycol), ACN(Acetonitrile), EC(Ethylene carbonate), PC(Propylene carbonate), DMC(Dimethyl carbonate), DEC(Diethyl carbonate), EMC(Ethylmethyl carbonate), DME(1,2-dimethoxyethane), GBL(γ-buthrolactone), MF(Methyl formate), MP(Methyl propionate), DMF(dimethylformamide), 디메틸 설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO), n-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸아세트아마이드(DMAC), 트리에틸포스페이트(TEP) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the organic ligand and the metal precursor may be mixed in a solvent. The solvent is water, methanol, ethanol, propanol, IPA (isopropyl alcohol), EG (Ethylene Glycol), ACN (Acetonitrile), EC (Ethylene carbonate), PC (Propylene carbonate), DMC (Dimethyl carbonate), DEC (Diethyl carbonate) ), EMC(Ethylmethyl carbonate), DME(1,2-dimethoxyethane), GBL(γ-butrolactone), MF(Methyl formate), MP(Methyl propionate), DMF(dimethylformamide), dimethyl sulfoxide(DMSO) , n-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylacetamide (DMAC), triethyl phosphate (TEP), and may include a material selected from the group consisting of combinations thereof.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 전구체는 Ni, Cu, Fe, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Rh, Pd, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Uub 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속의 전구체를 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 Ni을 포함하는 것일 수 있다. 한편, 상기 금속 전구체는 염(salt)의 형태로 제공되는 것일 수 있으며, 상기 염은 클로라이드(chloride), 플루오라이드(fluoride), 브로마이드(bromide), 아이오다이드(iodide), 트리플레이트(triflate), BF4, PF6, NO3-, SO4 2-, ClO4 - 및 이들이 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the metal precursor is Ni, Cu, Fe, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Rh, Pd, Ag, Cd, selected from the group consisting of Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Uub and combinations thereof It may contain a precursor of a metal, preferably Ni. Meanwhile, the metal precursor may be provided in the form of a salt, and the salt may include chloride, fluoride, bromide, iodide, or triflate. , BF 4 , PF 6 , NO 3- , SO 4 2- , ClO 4 - and combinations thereof.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2차원 금속카바이드 시트를 혼합시키는 단계 이전에, 상기 금속-유기 골격체를 용매 상에서 초음파 분산시키는 단계;를 추가로 포함할 수도 있고, 상기 2차원 금속카바이드 시트를 혼합시키는 단계 이전에, 상기 2차원 금속카바이드 시트를 용매 상에서 초음파 분산시키는 단계;를 추가로 포함할 수도 있다. 구체적으로 초음파를 이용하여 2차원 형상의 금속-유기 골격체 또는 상기 금속 카바이드를 예컨대, 나노 단위로 박리하는 과정을 의미하는 것이다. 또한, 필요에 따라 박리된 금속-유기 골격체 및 금속카바이드 시트를 얻기 위해, 원심분리 등 비제한 적인 외력 부여 수단을 더 포함하여 진행할 수 있다.In one embodiment of the present application, before the step of mixing the two-dimensional metal carbide sheet, ultrasonically dispersing the metal-organic framework in a solvent; may further include, the two-dimensional metal carbide sheet Prior to the mixing step, ultrasonically dispersing the two-dimensional metal carbide sheet in a solvent; may further include. Specifically, it refers to a process of exfoliating a two-dimensional metal-organic framework or the metal carbide in nano units using ultrasonic waves. In addition, non-limiting external force application means such as centrifugal separation may be further included to obtain the metal-organic framework and the metal carbide sheet peeled off as needed.

다음으로 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 혼합물에 2차원 금속카바이드 시트를 혼합시키는 단계를 포함하고, 상기 유기 리간드에 포함된 치환기가 상기 금속 전구체와 각각 배위결합을 형성하는 것일 수 있다.Next, in one embodiment of the present application, a step of mixing a two-dimensional metal carbide sheet with the mixture may be included, and substituents included in the organic ligand may form coordinate bonds with the metal precursor, respectively.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 혼합물에 2차원 금속카바이드 시트를 혼합하는 단계는, 초음파 분산에 의해 진행되는 것을 특징으로 할 수 있다. 구체적으로, 혼합물에 초음파로 외력을 가하여, 금속-유기 골격체와 2차원 금속카바이드 시트를 혼합하는 것을 의미할 수 있다. 초음파 분산은 30분 이상, 바람직하게는 45분 이상, 더 바람직하게는 60분 이상의 시간 동안 이루어질 수 있고, 240분 이하, 바람직하게는 180분 이하, 더 바람직하게는 120분 이하의 시간 동안 이루어질 수 있다. 초음파 분산이 30분 미만 이루어질 경우, 분산 또는 혼합이 충분히 이루어지지 않을 수 있고, 240분 초과로 이루어질 경우에는, 이미 충분히 혼합 또는 분산이 이루어졌기 때문에 비경제적일 수 있다.In one embodiment of the present application, the step of mixing the two-dimensional metal carbide sheet with the mixture may be characterized in that it proceeds by ultrasonic dispersion. Specifically, it may mean mixing the metal-organic framework and the two-dimensional metal carbide sheet by applying an external force to the mixture with ultrasonic waves. Ultrasonic dispersion may be performed for 30 minutes or more, preferably 45 minutes or more, more preferably 60 minutes or more, and 240 minutes or less, preferably 180 minutes or less, more preferably 120 minutes or less. there is. When the ultrasonic dispersion is performed for less than 30 minutes, dispersion or mixing may not be sufficiently performed, and when the ultrasonic dispersion is performed for more than 240 minutes, it may be uneconomical because sufficient mixing or dispersion has already been performed.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 혼합물에 2차원 금속카바이드 시트를 혼합시키는 단계; 이후에 상기 하이브리드 복합체의 분말을 얻기 위해 필터에 여과하는 단계를 더 수행할 수 있다. 비제한적으로 진공여과 장치에서 PVDF 멤브레인 필터를 사용하여 진공여과를 수행할 수 있다. 이때, 필터의 기공 크기는 상기 하이브리드 복합체가 여과될 수 있을 정도라면 제한이 없으며, 수 나노미터 또는 마이크로미터 단위일 수 있을 것이다. 필터의 종류 및 여과 장치도 통상 이용될 수 있는 것이라면 한정되지 않고 사용될 수 있다.In one embodiment of the present application, mixing the two-dimensional metal carbide sheet to the mixture; Thereafter, a step of filtering through a filter may be further performed to obtain a powder of the hybrid composite. Vacuum filtration can be performed using, but not limited to, a PVDF membrane filter in a vacuum filtration device. At this time, the pore size of the filter is not limited as long as the hybrid composite can be filtered, and may be several nanometers or micrometers. Types of filters and filtration devices may also be used without limitation as long as those that can be commonly used.

본원의 일 구현예에 있어서, 금속-유기 골격체(MOF) 전구체를 금속-유기 골격체로 합성시키고, 혼합물에 포함된 용매를 제거하기 위해 열처리 과정을 적용하는 것이 바람직하다. 상기 열처리는 40℃ 내지 300℃의 온도, 바람직하게는 50℃ 내지 250℃, 더 바람직하게는 60℃ 내지 200℃, 보다 더 바람직하게는 100℃ 내지 180℃에서 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한 상기 열처리는 0.5 내지 24 시간, 바람직하게는 1 내지 12 시간, 더 바람직하게는 1 내지 5시간 동안 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다. In one embodiment of the present application, it is preferable to apply a heat treatment process to synthesize a metal-organic framework (MOF) precursor into a metal-organic framework and remove the solvent included in the mixture. The heat treatment may be characterized in that it is performed at a temperature of 40 ° C to 300 ° C, preferably 50 ° C to 250 ° C, more preferably 60 ° C to 200 ° C, and even more preferably 100 ° C to 180 ° C. In addition, the heat treatment may be characterized in that it is performed for 0.5 to 24 hours, preferably 1 to 12 hours, more preferably 1 to 5 hours.

본원의 일 구현예에 있어서, 금속-유기 골격체(MOF) 전구체와 2차원 금속카바이드 시트를 혼합하고, 소정의 시간 동안 열처리를 진행하여 금속-유기 골격체로의 합성과, 2차원 금속카바이드 시트와의 결합이 동시에 수행되도록 하여 하이브리드 복합체를 형성할 수 있다. In one embodiment of the present application, a metal-organic framework (MOF) precursor and a two-dimensional metal carbide sheet are mixed, and heat treatment is performed for a predetermined time to synthesize the metal-organic framework, and the two-dimensional metal carbide sheet and It is possible to form a hybrid complex by allowing the binding of to be performed simultaneously.

본원의 제3 측면은,The third aspect of the present application,

상기 본원의 제 1 측면에 따른 하이브리드 복합체를 포함하는 전극을 제공한다.It provides an electrode comprising the hybrid composite according to the first aspect of the present application.

본원의 제 1 측면 및 제2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면 및 제2 측면에 대해 설명한 내용은 제 3 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Detailed descriptions of portions overlapping with the first and second aspects of the present application have been omitted, but the contents described for the first and second aspects of the present application can be equally applied even if the description is omitted in the third aspect. .

이하, 본원의 제 3 측면에 따른 상기 하이브리드 복합체를 포함하는 전극을 상세히 설명한다.Hereinafter, an electrode including the hybrid composite according to the third aspect of the present application will be described in detail.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전극은 이차전지 또는 슈퍼커패시터 등에 사용되는 것일 수 있으며, 상기 하이브리드 복합체는 높은 다공도 및 우수한 전기 전도도를 가지기 때문에 상기 소자들의 에너지밀도 및 출력특성 등을 향상시키는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 하이브리드 복합체의 총 기공부피가 0.1 cm3/g 내지 1.0 cm3/g인 것일 수 있으며, 전기 전도도는 250 S·m-1 이상인 것으로 전극의 활물질로 이용될 수 있다.In one embodiment of the present application, the electrode may be used for secondary batteries or supercapacitors, and since the hybrid composite has high porosity and excellent electrical conductivity, energy density and output characteristics of the devices may be improved. there is. Specifically, the hybrid composite may have a total pore volume of 0.1 cm 3 /g to 1.0 cm 3 /g, and an electrical conductivity of 250 S·m −1 or more, and may be used as an active material for an electrode.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전극의 활물질은 전극 집전체 상에 형성되어 있는 것일 수 있다. 이때, 상기 전극 집전체는 소자의 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 종류에 크게 제한이 없는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 집전체는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인리스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등이 표면 처리된 물질을 포함하는 것일 수 있다. 한편, 상기 전극 집전체는 약 3 μm 내지 500 μm의 두께를 가지는 것일 수 있으며, 상기 집전체의 표면에 미세한 요철을 형성하여 전극 활물질의 접착력을 높이는 것일 수 있다. 즉, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용 가능한 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the active material of the electrode may be formed on the electrode current collector. In this case, the type of the electrode current collector may not be significantly limited as long as it has conductivity without causing chemical change of the device. For example, the electrode current collector may include stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or a material in which carbon, nickel, titanium, silver, or the like is surface-treated on the surface of aluminum or stainless steel. Meanwhile, the electrode current collector may have a thickness of about 3 μm to 500 μm, and fine irregularities may be formed on the surface of the current collector to increase adhesion of the electrode active material. That is, it may be usable in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and non-woven fabrics.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전극의 활물질은 활물질 이외에 도전재 및 바인더를 더 포함하는 것일 수 있다. 이때, 상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 소자의 화학적 변화를 유발하지 않고 전기 전도성을 갖는 것이라면 종류에 크게 제한이 없는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 도전재는 천연 흑연 또는 인조 흑연 등의 흑연, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 채널블랙, 퍼네이스 블랙, 램프블랙, 서머블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질, 구리, 니켈 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유, 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키, 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다. 한편, 상기 도전재는 통상적으로 상기 전극 활물질 100 중량부 대비 1 중량부 내지 30 중량부의 함량으로 사용되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the active material of the electrode may further include a conductive material and a binder in addition to the active material. In this case, the conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and may be any material that has electrical conductivity without causing a chemical change in the device. For example, the conductive material is graphite such as natural graphite or artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, carbon-based materials such as carbon fiber, copper, nickel, aluminum , metal powder or metal fibers such as silver, conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate, conductive metal oxides such as titanium oxide or conductive polymers such as polyphenylene derivatives, and combinations thereof. it may be Meanwhile, the conductive material may be used in an amount of 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the electrode active material.

또한, 상기 바인더는 전극 활물질 입자들 간의 부착 및 전극 활물질과 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더는 예를 들어, 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다. 한편, 상기 바인더는 통상적으로 상기 전극 활물질 100 중량부 대비 1 중량부 내지 30 중량부의 함량으로 사용되는 것일 수 있다.In addition, the binder may serve to improve adhesion between particles of the electrode active material and adhesion between the electrode active material and the current collector. Specifically, the binder may be, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, Carboxymethylcellulose (CMC), starch, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), alcohol It may include a material selected from the group consisting of phonated-EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluororubber, or various copolymers thereof and combinations thereof. Meanwhile, the binder may be typically used in an amount of 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the electrode active material.

또한, 상기 슈퍼커패시터는 바람직하게 하이브리드 슈퍼커패시터인 것일 수 있으며, 상기 하이브리드 슈퍼커패시터는 구체적으로, 양극; 음극; 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해질을 포함하는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 전극 활물질은 바람직하게 상기 음극의 활물질로 사용되는 것일 수 있으며, 상기 양극의 양극 활물질로는 활성탄이 사용되는 것일 수 있다.In addition, the supercapacitor may preferably be a hybrid supercapacitor, and the hybrid supercapacitor may specifically include: an anode; cathode; It may include a separator and an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode. In this case, the electrode active material may be preferably used as an active material of the negative electrode, and activated carbon may be used as a positive electrode active material of the positive electrode.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하이브리드 슈퍼커패시터에 사용되는 전해질은 유기용매에 염 및 첨가제를 혼합하여 사용하는 것일 수 있다. 이때, 상기 유기용매는 ACN(Acetonitrile), EC(Ethylene carbonate), PC(Propylene carbonate), DMC(Dimethyl carbonate), DEC(Diethyl carbonate), EMC(Ethylmethyl carbonate), DME(1,2-dimethoxyethane), GBL(γ-buthrolactone), MF(Methyl formate), MP(Methyl propionate) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 염은 0.8 내지 2 M가 사용되며, 리튬(Li)염과 비리튬(non-lithium)염을 혼합하여 사용하는 것일 수 있다. 상기 리튬(Li)염은 상기 음극 활물질, 즉 하이브리드 복합체의 구조 내로 삽입/탈리 반응을 수반하며, 이의 종류로는 LiBF4, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiC(SO2CF3)3, LiBOB(Lithium bis(oxalato)borate) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 비리튬염은 탄소재질 첨가제의 표면적에 흡/탈착 반응을 수반하며, 리튬염에 0 내지 0.5 M를 혼합하여 사용하는 것일 수 있다. 이때, 상기 비리튬염은 TEABF4(Tetraethylammonium tetrafluoroborate), TEMABF4(Triethylmethylammonium tetrafluorborate), SBPBF4(spiro-(1,1′)-bipyrrolidium tetrafluoroborate) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 탄소재질 첨가제는 VC(Vinylene Carbonate), VEC(Vinyl ethylene carbonate), FEC(Fluoroethylene carbonate) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the electrolyte used in the hybrid supercapacitor may be a mixture of a salt and an additive in an organic solvent. At this time, the organic solvent is ACN (Acetonitrile), EC (Ethylene carbonate), PC (Propylene carbonate), DMC (Dimethyl carbonate), DEC (Diethyl carbonate), EMC (Ethylmethyl carbonate), DME (1,2-dimethoxyethane), It may include a material selected from the group consisting of γ-butrolactone (GBL), methyl formate (MF), methyl propionate (MP), and combinations thereof. In addition, the salt is used in an amount of 0.8 to 2 M, and may be a mixture of a lithium (Li) salt and a non-lithium salt. The lithium (Li) salt accompanies an intercalation/desorption reaction into the structure of the anode active material, that is, the hybrid composite, and its types include LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiAlCl 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN It may include a material selected from the group consisting of (SO 2 CF 3 ) 2 , LiC(SO 2 CF 3 ) 3 , lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), and combinations thereof. In addition, the non-lithium salt accompanies an adsorption/desorption reaction on the surface area of the carbon material additive, and may be used by mixing 0 to 0.5 M with the lithium salt. In this case, the non-lithium salt includes a material selected from the group consisting of TEABF 4 (Tetraethylammonium tetrafluoroborate), TEMABF 4 (Triethylmethylammonium tetrafluoroborate), SBPBF 4 (spiro-(1,1′)-bipyrrolidium tetrafluoroborate), and combinations thereof it may be In addition, the carbon material additive may include a material selected from the group consisting of vinyl carbonate (VC), vinyl ethylene carbonate (VEC), fluoroethylene carbonate (FEC), and combinations thereof.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 세퍼레이터는 양극과 음극 사이에 위치되어 양극과 음극이 서로 물리적으로 접촉되어 전기적으로 쇼트(short)되는 것을 방지하며, 다공성을 갖는 물질이 사용되는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 분리막은 폴리프로필렌계, 폴리에틸렌계, 폴리올레핀계 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the separator is positioned between the positive electrode and the negative electrode to prevent the positive electrode and the negative electrode from being in physical contact with each other and electrically shorted, and a porous material may be used. For example, the separator may include a material selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene, polyolefin, and combinations thereof.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 구성을 가진 하이브리드 슈퍼커패시터는 음극 활물질로서 하이브리드 복합체를 사용하기 때문에 높은 전기 전도도를 가지며, 탄소재질 첨가제의 높은 비표면적으로 인하여 용량이 개선되어 높은 에너지밀도 및 출력특성을 가지는 것일 수 있다. 즉, 상기 하이브리드 복합체에 형성된 다수의 공간에 탄소재질 첨가제가 삽입되어 이를 포함하는 하이브리드 슈퍼커패시터가 우수한 전기 전도도, 정전용량 및 출력특성을 나타내는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the hybrid supercapacitor having the above configuration has high electrical conductivity because the hybrid composite is used as an anode active material, and the capacity is improved due to the high specific surface area of the carbon material additive, resulting in high energy density and output characteristics may have That is, a carbon material additive may be inserted into a plurality of spaces formed in the hybrid composite, and the hybrid supercapacitor including the additive may exhibit excellent electrical conductivity, capacitance, and output characteristics.

본원의 제4 측면은,The fourth aspect of the present application,

상기 본원의 제 1 측면에 따른 하이브리드 복합체를 포함하는 촉매를 제공한다.It provides a catalyst comprising the hybrid composite according to the first aspect of the present application.

본원의 제 1 측면 내지 제3 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면 내지 제3 측면에 대해 설명한 내용은 제 4 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Detailed descriptions of portions overlapping with the first to third aspects of the present application have been omitted, but the contents described for the first to third aspects of the present application can be equally applied even if the description is omitted in the fourth aspect. .

본원의 제5 측면은,The fifth aspect of the present application,

상기 본원의 제 1 측면에 따른 하이브리드 복합체를 포함하는 전자파 차폐 소재를 제공한다.It provides an electromagnetic wave shielding material comprising the hybrid composite according to the first aspect of the present application.

본원의 제 1 측면 내지 제4 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면 내지 제4 측면에 대해 설명한 내용은 제 5 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Detailed descriptions of portions overlapping with the first to fourth aspects of the present application have been omitted, but the contents described for the first to fourth aspects of the present application can be equally applied even if the description is omitted in the fifth aspect. .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하이브리드 복합체는 슈퍼커패시터 또는 이차전지의 전극 활물질 이외에도 물정화용 촉매, 항암제, 면역결핍 바이러스 치료제, 곰팡이 및 박테리아 감염 치료제, 말라리아 치료제, 각종 약물전달 물질, 광촉매, 센서, 항공우주 물질 등 다양한 분야에 있어서 적용이 가능한 바, 상업적으로 매우 유용한 물질로서 사용될 수 있다. 또한 전자파 차폐 소재로서 유용한 멕신(Mxene) 구조 금속 카바이드 물질을 포함하고 있는바, 전자파 차폐 소재로서의 적용도 기대할 수 있다.In one embodiment of the present application, the hybrid complex is a catalyst for water purification, an anticancer drug, an immunodeficiency virus treatment, a treatment for fungal and bacterial infection, a treatment for malaria, various drug delivery materials, a photocatalyst, a sensor, Since it can be applied in various fields such as aerospace materials, it can be used as a commercially very useful material. In addition, since it contains a metal carbide material having a Mxene structure, which is useful as an electromagnetic wave shielding material, application as an electromagnetic wave shielding material can be expected.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

제조예 1. 금속카바이드 시트의 합성Preparation Example 1. Synthesis of metal carbide sheet

고순도 Ti3AlC2 분말은 열처리 된 샘플을 분쇄하고 400-mesh (38-μm) 체를 통과 한 후 HF 에칭 공정을 이용하여 박리를 하였다. 에칭공정은 다음과 같다. 우선 1g의 LiF를 교반하면서 테플론 병에 담긴 9M HCl 용액 10mL에 용해시켰다; 혼합 된 식각액에 체질된 Ti3AlC2 분말 1g을 천천히 첨가하고, 혼합물을 40 ℃에서 24 시간 동안 교반하였다. 이어서 현탁액을 원심 분리하고, 상층액을 제거하고, 침전물을 pH가 중성에 가까워 질 때까지 탈 이온수 (DI)로 여러 번 세척했다. 그 후, 침전물을 진공오븐에 건조하여 Ti3C2Tx 분말을 얻었다. 도 2 및 도 3에서는 합성된 금속카바이드 Ti3C2Tx 시트 표면 SEM 사진 및 합성된 금속카바이드 Ti3C2Tx 시트 저배율 SEM 사진을 각각 나타내었다.The high-purity Ti 3 AlC 2 powder was pulverized from the heat-treated sample, passed through a 400-mesh (38-μm) sieve, and then exfoliated using the HF etching process. The etching process is as follows. First, 1 g of LiF was dissolved in 10 mL of 9M HCl solution in a Teflon bottle with stirring; To the mixed etchant, 1 g of sieved Ti3AlC2 powder was slowly added, and the mixture was stirred at 40 °C for 24 hours. The suspension was then centrifuged, the supernatant was removed, and the precipitate was washed several times with deionized (DI) water until the pH approached neutral. Thereafter, the precipitate was dried in a vacuum oven to obtain Ti 3 C 2 T x powder. 2 and 3 show SEM pictures of the surface of the synthesized metal carbide Ti 3 C 2 T x sheet and low-magnification SEM pictures of the synthesized metal carbide Ti 3 C 2 T x sheet, respectively.

실시예 1. 하이브리드 복합체의 제조Example 1. Preparation of hybrid composites

치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 아릴헥사아민(aryl-hexamine) 중 2,3,6,7,10,11-Hexaiminotriphenylene을 유기리간드로서 사용하고, Ni이 분쇄형으로 반복 결합된 2차원 전기전도성 Ni-유기구조체를 용매에 분산시킨 분산액(금속-유기 골격체 전구체)을 준비하였다. 이렇게 합성된 금속-유기 골격체 Ni3(HITP)2 표면 SEM 사진을 도 4에 나타내었다.2,3,6,7,10,11-Hexaiminotriphenylene among substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl-hexamine is used as an organic ligand, and two-dimensional electrical conductivity in which Ni is repeatedly bonded in a branched form A dispersion (metal-organic framework precursor) in which the Ni-organic structure was dispersed in a solvent was prepared. A SEM image of the surface of the synthesized metal-organic framework Ni 3 (HITP) 2 is shown in FIG. 4 .

성게 모양의 Ni3(HITP)2와 2차원 적층구조의 Ti3C2Tx의 초음파 분산을 이용한 박리화를 통해, 3차원 구조의 Ni3(HITP)2/MXene 구조체를 제조하였다. 도 5는 Ni3(HITP)2/Ti3C2Tx 3차원 복합체 제조 모식도를 나타낸 것이다.A three-dimensional Ni 3 (HITP) 2 /MXene structure was prepared by exfoliating sea urchin-shaped Ni 3 (HITP) 2 and two-dimensional layered Ti 3 C 2 Tx using ultrasonic dispersion. 5 is a schematic view of manufacturing a Ni 3 (HITP) 2 /Ti 3 C 2 T x 3-dimensional composite.

합성된 Ni3(HITP)2를 분산이 잘 되는 용매인 에탄올에 1 mg/ml 농도로 300W초음파 기기를 이용해 분산시킨다. 마찬가지로, Ti3C2Tx 용액을 분산이 잘되는 용매인 에탄올 혹인 에탄올/물에 초음파를 이용하여 분산용액을 제조한다. 제조된 두개의 Ni3(HITP)2용액에 Ti3C2Tx용액을 천천히 첨가한 후, 마찬가지로 초음파를 이용하여 분산시켜, 최종 Ni3(HITP)2/Ti3C2Tx 용액을 제조한다. 제조된 복합체 용액을 진공여과 장치와 PVDF 멤브레인 필터(기공크기 0.22 마이크로미터)를 이용하여 진공여과 후 용매를 제거하여 Ni3(HITP)2/Ti3C2Tx MXene복합체 분말을 얻었다. 도 6에서 초음파 분산법 및 진공여과 공정을 이용한 Ni3(HITP)2/Ti3C2Tx 복합체 제조방법을 도시하고 있다.The synthesized Ni 3 (HITP) 2 is dispersed in ethanol, which is a well-dispersible solvent, at a concentration of 1 mg/ml using a 300W ultrasonicator. Similarly, a Ti 3 C 2 T x solution is prepared by using ultrasonic waves in ethanol or ethanol/water, which is a well-dispersible solvent. manufactured After slowly adding the Ti 3 C 2 T x solution to the two Ni 3 (HITP) 2 solutions, they are dispersed using ultrasonic waves to prepare a final Ni 3 (HITP) 2 /Ti 3 C 2 T x solution. The prepared composite solution was vacuum filtered using a vacuum filtration device and a PVDF membrane filter (pore size: 0.22 micrometers), and the solvent was removed to obtain Ni 3 (HITP) 2 /Ti 3 C 2 T x MXene composite powder. 6 shows a method for preparing the Ni 3 (HITP) 2 /Ti 3 C 2 T x composite using an ultrasonic dispersion method and a vacuum filtration process.

실시예 2. 하이브리드 복합체의 제조Example 2. Preparation of hybrid composites

포름아미드 용액에서 박리화된 Ti3C2Tx 20 mL 용액에 0.064 g Zn(NO3)2,6H2O와 0.055 g 2-methyl imidazole를 첨가하여 녹이고 각각의 농도가 16.8 mM과 33.6 mM이 되게 만든다. 그 후 테프론 반응기에서 하루동안 110도로 가열하여 ZIF-8/Ti3C2Tx 하얀 분말을 얻었다. 도 7에서는 ZIF-8/Ti3C2Tx 합성 제조방법을 간략히 나타내고 있다.0.064 g Zn(NO 3 ) 2 ,6H 2 O and 0.055 g 2-methyl imidazole were added to a 20 mL solution of Ti 3 C 2 T x 20 mL exfoliated in formamide solution, and the respective concentrations were 16.8 mM and 33.6 mM. make it become Then, it was heated at 110° C. for one day in a Teflon reactor to obtain ZIF-8/Ti 3 C 2 T x white powder. 7 briefly shows a method for synthesizing ZIF-8/Ti 3 C 2 T x .

실험예 1. 하이브리드 복합체의 SEM 이미지 Experimental Example 1. SEM image of hybrid composite

상기 수득한 합성된 Ni3(HITP)2/Ti3C2Tx 하이브리드 복합체 표면 SEM 사진을 도 8에 나타내었으며, 합성된 ZIF-8/Ti3C2Tx 복합체 단면 SEM 사진을 도 9에 나타내었다.The surface SEM picture of the synthesized Ni 3 (HITP) 2 /Ti 3 C 2 T x hybrid composite obtained above is shown in FIG. 8, and the cross-sectional SEM picture of the synthesized ZIF-8/Ti 3 C 2 T x composite is shown in FIG. showed up

도 8에 나타낸 바와 같이 상기 하이브리드 복합체는 기존 뭉쳐있는 Ni3(HITP)2구조가 박리화 되어 시트 형태의 금속-유기 골격체 및 금속카바이드 시트가 랜덤하게 혼합되어 3차원 다공성 구조를 가지고 있음을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 8, it can be confirmed that the hybrid composite has a three-dimensional porous structure in which the existing aggregated Ni 3 (HITP) 2 structure is exfoliated and the sheet-type metal-organic skeleton and the metal carbide sheet are randomly mixed. could

또한 도9를 보면, 시트형태인 Ti3C2Tx위에 제조된 ZIF-8은 층상구조를 가지며, MXene 시트 내부에 채워진 형태로 ZIF-8이 형성된 것을 알 수 있다.In addition, referring to FIG. 9, it can be seen that the ZIF-8 fabricated on Ti3C2Tx in the form of a sheet has a layered structure, and the ZIF-8 is formed in a filled form inside the MXene sheet.

실험예 2. 하이브리드 복합체의 BET 결과 Experimental Example 2. BET result of hybrid composite

상기 실시예에서 제조한 하이브리드 복합체 입자들, 금속-유기 골격체, Mxene 각각의 비표면적 및 기공분포를 측정하여 하기 표 1 및 도 10 내지 도 14에 나타내었다.The specific surface area and pore distribution of each of the hybrid composite particles, metal-organic framework, and Mxene prepared in Example were measured and are shown in Table 1 and FIGS. 10 to 14 below.

샘플Sample BET 비표면적
m2/g
BET specific surface area
m 2 /g
총기공부피
cm3/g
firearms book
cm 3 /g
Ni3(HITP)2 Ni 3 (HITP) 2 401401 0.2660.266 ZIF-8ZIF-8 13221322 0.660.66 Ti3C2Tx Ti 3 C 2 T x 1919 0.470.47 Ni3(HITP)2/Ti3C2Tx Ni 3 (HITP) 2 /Ti 3 C 2 T x 3434 0.210.21 ZIF-8/Ti3C2Tx ZIF-8/Ti 3 C 2 T x 918918 0.6360.636

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 복합체는 모재인 멕신에 비해서는 상대적으로 높은 BET 비표면적 값을 가지는 것을 볼 수 있고, 이는 상대적으로 높은 다공도를 가진다고 볼 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that the hybrid composite according to the embodiment of the present invention has a relatively high BET specific surface area value compared to that of the parent material mexine, which can be seen as having a relatively high porosity.

실험예 3. 하이브리드 복합체의 XRD 분석Experimental Example 3. XRD analysis of the hybrid composite

상기 실시예에서 수득한 하이브리드 복합체(Ni3(HITP)2/Ti3C2Tx)의 XRD 분석을 수행하여 이의 결과를 도 15에 나타내었다. Ni3(HITP)2, Ti3C2Tx, Ni3(HITP)2/Ti3C2Tx 각 시편의 XRD 결과를 나타낸 도 15을 참조하면, 벌크형태의 Ti3C2 나노시트 각각의 피크를 확인하였으며, 이론적인 피크와 일치함을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실시예에 따른 금속-유기 골격체(MOF)의 피크를 확인하였으며, 이 또한 각각의 피크가 이론적인 피크와 일치함을 확인할 수 있었다.XRD analysis was performed on the hybrid composite (Ni 3 (HITP) 2 /Ti 3 C 2 T x ) obtained in the above example, and the results are shown in FIG. 15 . Ni 3 (HITP) 2 , Ti 3 C 2 T x , Ni 3 (HITP) 2 /Ti 3 C 2 T x Referring to FIG. 15 showing XRD results of each specimen, Ti 3 C 2 nanosheets in bulk form, respectively. The peak of was confirmed, and it was confirmed that it coincided with the theoretical peak. In addition, the peaks of the metal-organic framework (MOF) according to the above examples were confirmed, and it was also confirmed that each peak coincided with the theoretical peak.

실험예 4. 전기화학적 특성 테스트Experimental Example 4. Electrochemical Characteristics Test

전극의 제조manufacture of electrodes

합성된 Ni3(HITP)2, Ti3C2Tx 또는 Ni3(HITP)2/Ti3C2Tx를 막자사발 또는 교반기를 이용하여 각 시편의 분말을 분쇄하였다. 다음으로, 위 분말에 전도성 카본인 Super P를 막자 사발에 1:1~3:1로 넣고 막자를 이용하여 섞었다. 잘 섞인 Ni3(HITP)2, Ti3C2Tx 또는 Ni3(HITP)2/MXene 복합체와 Super P 혼합물에 PTFE 바인더를 8:2의 중량비로 혼합한 후 막자와 막자사발을 이용하여 압착하여 전극을 제조하였다. 제조된 전극은 롤러를 이용하여 약 150㎛의 두께로 형성하였다.The synthesized Ni 3 (HITP) 2 , Ti 3 C 2 T x or Ni 3 (HITP) 2 /Ti 3 C 2 T x was pulverized into powder of each specimen using a mortar or stirrer. Next, Super P, a conductive carbon, was added to the above powder in a ratio of 1:1 to 3:1 in a pestle bowl and mixed using a pestle. After mixing the well-mixed Ni 3 (HITP) 2 , Ti 3 C 2 Tx or Ni 3 (HITP) 2 /MXene composite and Super P mixture with a PTFE binder in a weight ratio of 8:2, compress using a mortar and pestle. to prepare an electrode. The prepared electrode was formed to a thickness of about 150 μm using a roller.

평가 셀의 제조Fabrication of evaluation cell

위와 같이 제조된 전극을 약 1~5 mg에 해당하는 크기로 재단하고, 재단된 전극을 리튬 foil, Glass fiber 분리막, 1M LiPF6 EC/DMC 전해질과 상용 2032 코인셀(Coincell) 부품을 이용하여 이차전지 코인셀을 제작하고 전기화학측정 평가장비를 이용하여 이차전지 특성평가를 진행하였다.The electrode prepared as above is cut to a size corresponding to about 1 to 5 mg, and the cut electrode is used for secondary production using lithium foil, glass fiber separator, 1M LiPF 6 EC/DMC electrolyte, and commercial 2032 coin cell parts. A battery coin cell was manufactured and the characteristics of the secondary battery were evaluated using electrochemical measurement and evaluation equipment.

실시예에 따라 제조된 Ni3(HITP)2, Ti3C2Tx 또는 Ni3(HITP)2/Ti3C2Tx 전극의 전기화학적 평가를 위해 리튬 반쪽 전지 (half-cell)를 조립하였고, 50 mA/g의 C-rate로 0.0~3.0 V (vs. Li+/Li)의 전압 범위에서 초기 사이클의 충/방전 곡선을 얻었고 이를 도 16에 나타내었다. 이때, 충/방전 용량은 전체 전극무게 나누어 용량을 환산하였다.Assemble a lithium half-cell for electrochemical evaluation of the Ni 3 (HITP) 2 , Ti 3 C 2 T x or Ni 3 (HITP) 2 /Ti 3 C 2 T x electrode prepared according to the embodiment. and obtained a charge/discharge curve of the initial cycle in the voltage range of 0.0 to 3.0 V (vs. Li + /Li) at a C-rate of 50 mA/g, which is shown in FIG. 16. At this time, the charge/discharge capacity was converted into the capacity by dividing the total weight of the electrode.

평가 결과에 따르면, Ni3(HITP)2의 1회 충/방전 용량은 각각 656/719 mAh g-1이고, 109%의 쿨롱 효율(Coulombic efficiency, CE)를 나타내었다. 또한, 10회 충/방전 용량은 각각 499/466 mAh g-1이고 93%의 쿨롱 효율을 나타내었다. 충방전이 10회이상 진행되면 용량 및 쿨롱효율 감소가 일어난다.According to the evaluation results, each charge/discharge capacity of Ni 3 (HITP) 2 was 656/719 mAh g -1 , and Coulombic efficiency (CE) was 109%. In addition, the 10-time charge/discharge capacity was 499/466 mAh g -1 , respectively, and the coulombic efficiency was 93%. When charging and discharging is performed more than 10 times, capacity and coulombic efficiency decrease.

Ti3C2Tx MXene의 경우, 1회 충/방전 용량은 각각 322/378 mAh g-1이고, 117%의 쿨롱 효율(Coulombic efficiency, CE)를 나타내었다. 또한, 10회 충/방전 용량은 각각 289/273 mAh g-1이고 105%의 쿨롱 효율을 나타내었다. MXene의 경우, 초기용량은 Ni3(HITP)2보다 낮으나 높은 안정성 및 쿨롱 효율을 보여준다.In the case of Ti 3 C 2 T x MXene, each charge/discharge capacity was 322/378 mAh g -1 , respectively, and Coulombic efficiency (CE) was 117%. In addition, the 10-time charge/discharge capacity was 289/273 mAh g -1 , respectively, and the coulombic efficiency was 105%. In the case of MXene, the initial capacity is lower than that of Ni 3 (HITP) 2 , but it shows high stability and coulombic efficiency.

한편, Ni3(HITP)2/Ti3C2Tx 복합체 전극에서 1회 충/방전 용량은 각각 905/960 mAh g-1이고, 106%의 쿨롱 효율(Coulombic efficiency, CE)를 나타내었다. 또한, 10회 충/방전 용량은 각각 736/734 mAh g-1이고 100%의 쿨롱 효율을 나타내었다. Ni3(HITP)2보다 높은 초기 용량을 보였으며, 10회 충방전 후에도 높은 안정성 및 쿨롱 효율을 보였다. On the other hand, in the Ni 3 (HITP) 2 /Ti 3 C 2 T x composite electrode, each charge/discharge capacity was 905/960 mAh g -1 , respectively, and a Coulombic efficiency (CE) of 106% was exhibited. In addition, the 10-time charge/discharge capacity was 736/734 mAh g -1 , respectively, and showed a coulombic efficiency of 100%. It showed higher initial capacity than Ni 3 (HITP) 2 , and showed high stability and coulombic efficiency even after charging and discharging 10 times.

따라서, 본 발명의 하이브리드 복합체는, MOF인 Ni3(HITP)2 또는 금속카바이드 시트 Ti3C2Tx Mxene을 단독으로 사용한 경우보다 초기 용량 및 10회 충방전 후에도 높은 안정성 및 쿨롱 효율을 보이는 것을 확인하였고, 이는 MXene의 첨가로 인한 Ni3(HITP)2의 전기전도도 향상, MOF와의 복합체 형성으로 다공성 향상을 포함하여, 복합적인 구조적, 전기화학적 특성에 기인한 것이다.Therefore, the hybrid composite of the present invention shows higher stability and coulombic efficiency after initial capacity and 10 charge/discharge cycles than when MOF Ni 3 (HITP) 2 or metal carbide sheet Ti 3 C 2 T x Mxene is used alone. It was confirmed that this was due to complex structural and electrochemical properties, including enhancement of electrical conductivity of Ni 3 (HITP) 2 due to the addition of MXene and enhancement of porosity by forming a complex with MOF.

Claims (18)

금속-유기 골격체(MOF); 및
2차원 금속카바이드 시트;
를 포함하고,
상기 금속-유기 골격체는 하기 화학식 7의 구조를 포함하는 Ni3(HITP)2이며,
상기 2차원 금속카바이드 시트는, Ti3C2Tx 멕신(MXene) 나노시트이고,
상기 금속-유기 골격체와 2차원 금속카바이드 시트가 랜덤하게 혼합되어 3차원 다공성 구조를 갖는 것이며,
상기 금속-유기 골격체와 2차원 금속 카바이드 시트는 혼합되기 전에 각각 용매 상에서 초음파 분산시킨 후, 상기 금속-유기 골격체 초음파 분산액 및 2차원 금속 카바이드 시트 초음파 분산액을 초음파 분산에 의해 혼합한 것인 하이브리드 복합체:
[화학식 7]
M-L-M
(상기 화학식 7에서,
M은 Ni이고,
L은 유기 리간드로서 하기 화학식 10의 구조 중 hexaiminotriphenylene (HITP)이다.)
[화학식 10]
Figure 112023020950869-pat00035

(상기 화학식 10에서,
X1 내지 X6은 각각 독립적으로 아민기(NH2), 카복시기(COOH) 또는 히드록시기(OH)이고,
X1 및 X2는 서로 동일하고, X3 및 X4는 서로 동일하고, X5 및 X6은 서로 동일하고,
X1, X3 및 X5는 서로 동일하거나 상이하고,
Y1 내지 Y6은 각각 독립적으로 탄소 또는 질소이다.)
metal-organic frameworks (MOFs); and
two-dimensional metal carbide sheet;
including,
The metal-organic framework is Ni 3 (HITP) 2 having a structure represented by Chemical Formula 7 below,
The two-dimensional metal carbide sheet is a Ti 3 C 2 Tx Mexene (MXene) nanosheet,
The metal-organic skeleton and the two-dimensional metal carbide sheet are randomly mixed to have a three-dimensional porous structure,
The metal-organic framework and the two-dimensional metal carbide sheet are ultrasonically dispersed in a solvent before mixing, and then the metal-organic framework ultrasonic dispersion and the two-dimensional metal carbide sheet ultrasonic dispersion are mixed by ultrasonic dispersion. Complex:
[Formula 7]
MLM
(In Chemical Formula 7,
M is Ni;
L is an organic ligand and is hexaiminotriphenylene (HITP) in the structure of Formula 10 below.)
[Formula 10]
Figure 112023020950869-pat00035

(In Formula 10,
X 1 to X 6 are each independently an amine group (NH 2 ), a carboxy group (COOH) or a hydroxyl group (OH);
X 1 and X 2 are equal to each other, X 3 and X 4 are equal to each other, X 5 and X 6 are equal to each other,
X 1 , X 3 and X 5 are the same as or different from each other;
Y 1 to Y 6 are each independently carbon or nitrogen.)
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 하이브리드 복합체의 BET 비표면적이 30 m2/g 내지 1000 m2/g인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 복합체.
According to claim 1,
The hybrid composite, characterized in that the BET specific surface area of the hybrid composite is 30 m 2 /g to 1000 m 2 /g.
제1항에 있어서,
상기 금속카바이드 시트는 두께가 1 내지 20 nm이고, 면적이 100 nm2 내지 100 μm2인 것인 하이브리드 복합체.
According to claim 1,
The metal carbide sheet has a thickness of 1 to 20 nm, and an area of 100 nm 2 to 100 μm 2 The hybrid composite.
제1항에 있어서,
상기 금속-유기 골격체 100 중량부 대비 상기 금속카바이드 시트의 함량은 20 중량부 내지 70 중량부인 것인 하이브리드 복합체.
According to claim 1,
The metal-organic framework 100 parts by weight of the metal carbide sheet content is 20 parts by weight to 70 parts by weight of the hybrid composite.
제1항에 있어서,
상기 하이브리드 복합체의 총 기공부피가 0.1 cm3/g 내지 1.0 cm3/g인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 복합체.
According to claim 1,
The hybrid composite, characterized in that the total pore volume of the hybrid composite is 0.1 cm3 / g to 1.0 cm3 / g.
제1항에 있어서,
상기 하이브리드 복합체의 전기 전도도는 250 S·m-1 이상인 것인 하이브리드 복합체.
According to claim 1,
Electrical conductivity of the hybrid composite is 250 S·m -1 or more hybrid composite.
유기 리간드 및 금속 전구체를 혼합시켜 혼합물을 얻는 단계; 및
상기 혼합물에 2차원 금속카바이드 시트를 혼합시키는 단계를 포함하고;
상기 유기 리간드에 포함된 치환기가 상기 금속 전구체와 각각 배위결합을 형성하는 것이며,
상기 유기 리간드 및 금속 전구체를 혼합시켜 혼합물을 얻는 단계에 의해 얻은 금속-유기 골격체(MOF)는 2차원 형상이고,
상기 혼합물에 2차원 금속카바이드 시트를 혼합시키는 단계 이전에, 상기 금속-유기 골격체 및 2차원 금속카바이드 시트를 각각 용매 상에서 초음파 분산시켜 금속-유기 골격체 초음파 분산액 및 2차원 금속카바이드 시트 초음파 분산액을 제조하는 단계;를 추가로 포함하며,
상기 혼합물에 2차원 금속카바이드 시트를 혼합시키는 단계는, 상기 두개의 초음파 분산액을 초음파 분산시켜 진행되는 것인, 제1항에 따른 하이브리드 복합체의 제조방법.
mixing an organic ligand and a metal precursor to obtain a mixture; and
mixing a two-dimensional metal carbide sheet with the mixture;
Substituents included in the organic ligand form a coordination bond with the metal precursor, respectively,
The metal-organic framework (MOF) obtained by mixing the organic ligand and the metal precursor to obtain a mixture has a two-dimensional shape,
Prior to mixing the two-dimensional metal carbide sheet with the mixture, the metal-organic framework and the two-dimensional metal carbide sheet are ultrasonically dispersed in a solvent, respectively, to obtain a metal-organic framework ultrasonic dispersion liquid and a two-dimensional metal carbide sheet ultrasonic dispersion liquid. Further comprising the step of preparing;
The mixing of the two-dimensional metal carbide sheet with the mixture is carried out by ultrasonically dispersing the two ultrasonic dispersions, the method for producing a hybrid composite according to claim 1.
삭제delete 삭제delete 삭제delete ◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 15 was abandoned when the registration fee was paid.◈ 제11항에 있어서,
상기 초음파 분산은 30분 내지 240분 이하의 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 복합체의 제조방법.
According to claim 11,
The ultrasonic dispersion is characterized in that carried out for a time of 30 minutes to 240 minutes or less, a method for producing a hybrid composite.
제1항 및 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항의 하이브리드 복합체를 포함하는 전극.
An electrode comprising the hybrid composite of any one of claims 1 and 6 to 10.
제1항 및 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항의 하이브리드 복합체를 포함하는 촉매.
A catalyst comprising the hybrid composite of any one of claims 1 and 6 to 10.
제1항 및 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항의 하이브리드 복합체를 포함하는 전자파 차폐 소재. An electromagnetic wave shielding material comprising the hybrid composite of any one of claims 1 and 6 to 10.
KR1020200113942A 2020-09-07 2020-09-07 Hybrid composite comprising metal-organic framework and two-dimensional metal carbide sheet and manufacturing method thereof KR102521281B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200113942A KR102521281B1 (en) 2020-09-07 2020-09-07 Hybrid composite comprising metal-organic framework and two-dimensional metal carbide sheet and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200113942A KR102521281B1 (en) 2020-09-07 2020-09-07 Hybrid composite comprising metal-organic framework and two-dimensional metal carbide sheet and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220032312A KR20220032312A (en) 2022-03-15
KR102521281B1 true KR102521281B1 (en) 2023-04-18

Family

ID=80817236

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200113942A KR102521281B1 (en) 2020-09-07 2020-09-07 Hybrid composite comprising metal-organic framework and two-dimensional metal carbide sheet and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102521281B1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115093677B (en) * 2022-07-13 2024-03-22 哈尔滨工业大学 Preparation method of MOF@MXene reinforced resin matrix composite material
CN116060067A (en) * 2023-01-05 2023-05-05 中国医学科学院药用植物研究所 Composite material based on two-dimensional metal carbide and transition metal oxide and application thereof in detection of kaempferol

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110589786A (en) * 2019-10-16 2019-12-20 大连理工大学 Based on three-dimensional porous transition metal carbide Ti3C2MXene composite nano structure and general preparation method thereof

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110589786A (en) * 2019-10-16 2019-12-20 大连理工大学 Based on three-dimensional porous transition metal carbide Ti3C2MXene composite nano structure and general preparation method thereof

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Michael Ko 등, Chem. Commun., 2018, Vol. 54, pp. 7873-7891.
Yangyang Wen 등, Nanomaterials, 2019.05.20., Vol. 9, 775.
Yanzhong Wang 등, Eng. Sci., 2020,01.07., Vol. 9, pp. 50-59.
Yue Li 등, Journal of The Electrochemical Society, 2020.07.31., Vol. 167, 110562.

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220032312A (en) 2022-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xu et al. Interweaving metal–organic framework-templated Co–Ni layered double hydroxide nanocages with nanocellulose and carbon nanotubes to make flexible and foldable electrodes for energy storage devices
KR102366563B1 (en) Hybrid composite comprising metal-organic framework and two-dimensional sheet
Cheng et al. Li-ion capacitor integrated with nano-network-structured Ni/NiO/C anode and nitrogen-doped carbonized metal–organic framework cathode with high power and long cyclability
Li et al. Thin-film electrode based on zeolitic imidazolate frameworks (ZIF-8 and ZIF-67) with ultra-stable performance as a lithium-ion battery anode
Zeng et al. In situ synthesis of MnO2/porous graphitic carbon composites as high-capacity anode materials for lithium-ion batteries
Jiao et al. Highly bonded T-Nb 2 O 5/rGO nanohybrids for 4 V quasi-solid state asymmetric supercapacitors with improved electrochemical performance
KR102235565B1 (en) 2 dimension nickel-metal-organic frameworks/rGO and electrode for secondary battery or super capacitor comprising the same
Ming et al. Hierarchical Li4Ti5O12 particles co-modified with C&N towards enhanced performance in lithium-ion battery applications
Ju et al. Three-dimensional porous carbon nanofiber loading MoS2 nanoflake-flowerballs as a high-performance anode material for Li-ion capacitor
Xu et al. Two-dimensional hierarchical porous carbon composites derived from corn stalks for electrode materials with high performance
Wang et al. Nanowire stacked bimetallic metal-organic frameworks for asymmetric supercapacitor
Zhang et al. Morphological and structural evolution of MnO@ C anode and its application in lithium-ion capacitors
Peng et al. Porous carbon with large surface area derived from a metal–organic framework as a lithium-ion battery anode material
KR102429678B1 (en) Metal organic framework-coated lithium-metal oxide particle amd method for preparing thereof
KR102521281B1 (en) Hybrid composite comprising metal-organic framework and two-dimensional metal carbide sheet and manufacturing method thereof
Kong et al. Graphene-like nitrogen-doped porous carbon nanosheets as both cathode and anode for high energy density lithium-ion capacitor
Feng et al. NiO Flowerlike porous hollow nanostructures with an enhanced interfacial storage capability for battery-to-pseudocapacitor transition
Li et al. Constructing surface-driven lithium ion storage structure for high performance hybrid capacitor
Liu et al. Synthesis of Co–Ni oxide microflowers as a superior anode for hybrid supercapacitors with ultralong cycle life
CN103545109A (en) Graphene composite material, preparation method thereof and lithium ion capacitor
Manyani et al. Study of electrochemical behaviour of binder-free nickel metal-organic framework derived by benzene-1, 3, 5-tricarboxylic acid for supercapacitor electrode
US20230274892A1 (en) Energy storage device and supercapacitor
KR102487821B1 (en) Composition for three-dimensional lamination, electrode comprising the same, and method for manufacturing electrode
KR102457192B1 (en) Method for manufacturing metal-organic framework, metal-organic framework, electrode, catalyst and absorbent comprising same
Li et al. Fabrication of metal-organic frameworks-derived porous NiCo2O4 nanofibers for high lithium storage properties

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant